適應現有掘進工藝的支護設備承載結構的設計研究

張興華

（同煤集團四臺礦技術中心，山西 大同 037000）

引言

為了保證采煤作業的安全可靠，在對巷道進行掘進的過程中，應該及時對頂板和圍巖進行牢固的支護。根據煤礦安全作業的規定，要求作業之前必須要對掘進形成的空頂部位進行可靠的支護，以保障作業人員的安全工作。但目前在掘進過程中，支護設備無法同時跟進，大量的時間都用在了支護工作上，導致綜掘設備的開機率非常低，煤礦企業的生產效率也極低。因此，為了提高煤礦采煤作業效率，需要縮短掘進與支護作業時間，改進支護結構與作業模式，提高支護的可靠性。

1 煤礦巷道的支護原理

巷道支護是通過利用一種專門設計的機械結構對巷道頂板及圍巖進行支撐，防止頂板及圍巖坍塌及垮落，保障巷道的穩固，為井下作業人員提供一個安全可靠的作業空間。目前在井下掘進過程中經常采用的巷道支護方式主要有臨時支護與永久支護兩種。臨時支護是在掘進過程中采用的一種暫時支護方式，防止巖石的脫落，保證掘進的持續進行。臨時支護的施工需要在掘進時提前進行，貫穿在整個掘進的全過程，一般在永久支護之前要施加臨時支護。在一定程度上，臨時支護的施加關系著整個掘進過程的效率與安全系數。永久支護目前主要采用的是錨桿支護技術[1]。錨桿支護技術是在棚室支護技術的基礎上改進而來的，通過錨桿的支護特性有效地控制巷道圍巖的變形，增強煤礦巷道支護的穩定性。錨桿支護技術在對巷道進行支護的應用過程中，要充分考慮巷道的實際情況，確定合理的錨桿預應力，確保錨桿支護的有效性與可靠性，進而保障巷道的安全穩固。錨桿支護技術是當前煤礦巷道應用最為普遍的一種支護技術，常規的巷道錨桿支護示意圖如圖1 所示。

圖1 巷道錨桿常規支護斷面圖

2 適應現有掘進工藝支護設備的承載原理

巷道臨時支護設備的主要作用是在掘進過程中對剛剛形成的采空巷道頂板進行暫時的支撐防護，保障掘進過程順利、安全的進行。掘進機在持續采煤掘進時，會逐漸形成采空區域，該采空區域形成的巷道的頂板及圍巖是非常松散和不牢固的，頂部和周邊巖石極容易垮落甚至奔塌，對人員及設備造成威脅和危害，因此需要對巷道的頂板及圍巖進行及時的支護。支護設備在對巷道的頂板及周邊巖石進行支撐防護時，其承載的過程主要分為初撐的階段、承載增阻的階段和恒阻的階段。初撐的階段主要是指支護設備剛開始工作的階段，支護設備剛開始運作，其向上推力作用于頂梁，使得頂梁升高。承載增阻階段是指在初撐作用結束之后，頂板仍會存在變形下降，支護設備的阻力就會逐漸增加。最后達到恒阻階段就是頂板變形下降的壓力與支護設備的支撐阻力達到一個平衡值，形成平衡，之后支護設備的支撐力基本保持不變[2]。下頁圖2 為臨時支護設備支撐阻力隨時間變化曲線圖。

3 適應現有掘進工藝支護設備承載結構件結構的設計

圖2 支護設備工作狀態下受力特性曲線

根據目前支護方式存在的問題和不足之處，對支護設備承載結構進行優化改進，初步得出該設備的結構方案如圖3 所示。該支護設備承載結構主要由頂梁結構、伸縮式前探梁結構、側護板結構、底座等部分組成[3]。該種承載能夠很好地適用于巷道掘進過程的交叉支護，使采掘與支護協調運行。

圖3 支護設備承載結構

3.1 頂梁與底座結構的設計

頂梁與底座是整個支護設備最主要的承載部件[4]，作為最關鍵的受力部件，承受著來自巷道頂板的主要壓力，一旦頂梁出現問題，整個支護設備即意味著失去作用，嚴重時會導致惡劣的垮塌事故，威脅采掘時人員與設備的安全。所以在進行頂梁與底座設計時，必須要具有足夠的強度。同時底座處于整個設備的底部，必須保證整個支護設備的穩定性與牢固性，因此，底座在設計時，不僅要保證具有足夠的強度，同時還應該保持與地面具有一定的接觸面積，保證底座具備一定的重量以此來保障支護設備的穩定性。

3.2 側護裝置結構的設計

傳統的支護承載結構對于設備兩側的支護鮮有顧及。如圖4 所示，在頂梁的兩側設計一種鉸接式的側護結構，該側護結構通過千斤頂的作用下翻轉90°至水平狀態，增加頂板的寬度，能夠補足在寬巷道支護時頂板接觸面積不夠的缺陷，提高了該支護承載結構的適應性。同時由于結構比較簡便，千斤頂位于較容易檢修和維護的位置，保障了支護設備的可靠性。

圖4 鉸接式側護板

3.3 防倒裝置結構的設計

在掘進過程中，為保障掘進前后巷道的穩固性，保障掘進作業的安全持續進行，該支護承載結構在掘進設備前后同時設置前后頂梁，為保證前后梁運行平穩，防止顛倒，設計了平拉防倒裝置結構，將前后梁連成一個整體[5]。如圖5 所示，該結構中間部分為千斤頂，通過千斤頂將前后梁部分連接成為一個整體，同時還可以保證該支護結構的平穩運行。

圖5 防倒裝置結構圖

4 結語

我國對煤炭資源的開采利用使得煤炭資源總量呈現出逐年下降的趨勢，同時淺煤層等易開發煤層更是逐漸減少，煤礦開采的環境條件越來越復雜，厚煤層及煤層賦存條件惡劣煤礦的礦區越來越多，那么在采掘過程對巷道進行穩固而可靠的支護就至關重要。煤礦企業應根據井下巷道的實際情況，選擇合適的巷道支護技術，同時也要注重對新技術的開發與應用，以適應逐漸變化的煤礦井下復雜的煤層賦存條件，保障采煤作業的安全。