掘進巷道移動擋矸支架設計與應用

韓 征

（大同煤礦集團雁崖煤業公司，山西大同 037003）

0 引言

大同煤礦集團雁崖煤業公司2105巷位于三盤區北部，巷道東部為實煤區，南部為采區邊界煤柱，西部為盤區大巷，北部為5105巷。2105巷掘進長度為1 200 m，巷道為矩形斷面，巷寬為4.5 m，巷高為3.5 m，施工巷道頂板采用錨桿、錨索、JW型鋼帶聯合支護；2105巷掘進煤層為二疊紀下統山西組4#煤層，平均厚度為3.5 m，煤層直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為2.1 m，基本頂主要以灰巖為主，平均厚度為12.4 m，巷道由機掘二隊采用綜合機械化掘進工藝。

根據礦地測科提供資料顯示，2105巷掘進至520 m處揭露一條正斷層F4，斷層落差為1.4 m，傾角為52h，受斷層影響，巷道掘進至510 m處頂板出現破碎、冒落現象，形成斷層破碎帶，預計長度為28 m，在斷層破碎帶處對頂板施工永久支護難度大，支護效果差，不僅降低了巷道掘進效率，而且威脅著施工安全。對此，設計了一套擋矸護頂移動支架，并進行應用。

1 擋矸護頂支架結構及工作原理

1.1 支架組成部分

擋矸護頂移動支架主要由護幫板、護頂板、支架腿、頂梁、滑道、折疊梁，雙向液壓支撐桿、遠程控制室等部分組成，如圖1所示。

支架腿共計2根，為中空高錳鋼結構，設計長度為3.0 m，在其內部分別安裝雙向液壓支撐桿、彈簧等，雙向液壓支撐桿上端與支架頂梁固定，下端與彈簧固定，雙向液壓支撐桿通過液壓作用進行伸縮動作[1]，最大伸縮行程為1.0 m。

通過雙向液壓支撐桿伸縮上端可使支架護頂部與頂板接觸，下端通過壓縮彈簧可使固定液壓支撐桿進行伸張動作，從而達到穩定支架目的。支架腿兩側各安裝4塊護幫板，主要由5 mm鋼板制成，每塊護幫板規格為長 寬=0.8 m 0.4 m，相鄰兩塊護幫板通過折疊梁與棚腿進行連接[2]。

圖1 掘進巷道擋矸護頂支架結構示意圖

擋矸護頂移動支架護頂部是由護頂板、頂板液壓支撐桿以及頂梁3部分組成。護頂板的材料選用厚度為20 mm高強度錳鋼制成，護頂板規格為長 寬=1.5 m 0.8 m，相鄰護頂板之間通過頂板液壓支撐桿與支撐腿進行連接。每架支架腿底部安裝3個滑輪，滑輪安裝在滑道上從而實現支架移動動作[3]，每節滑道長度為3.5 m，相鄰兩節滑道采用兩塊夾板連接，在滑道內每隔1.0 m安裝一個擋矸。相鄰兩架支架之間采用一根行走雙向液壓桿進行連接，行走雙向液壓桿為液壓制動模式，液壓管路與乳化液泵連接；雙向液壓桿的最大伸縮長度為3.0 m，可通過液壓桿伸縮完成支架前后移動動作。

遠程控制室主要由主機監控系統，支架操作系統、乳化液泵等部分組成，支架所有液壓部件通過液管與乳化液泵連接，通過支架操作系統可對支架完成各項動作。

1.2 工作原理

首先將滑道安裝在巷道底板處，滑道安裝時必須保證底板平整，底板允許最大坡度不得大于i 5h，必要時必須對安裝滑道底板進行起底澆筑整平[4]。

滑道固定后將支架腿與其對接安裝，首先將固定液壓支撐桿、雙向液壓支撐桿等液壓管路與乳化液泵進行連接。待棚腿安裝后，通過操作臺控制打開乳化液泵，使固定液壓支撐桿在液壓作用下進行支撐固定。

固定液壓支撐桿固定后將護頂部與支架腿進行對接安裝，依次類推，由于2105巷破碎區長度為28 m，而每架支架支護最大長度為3.0 m，所以2105巷共需安裝10架擋矸護頂移動支架。

在使用時首先通過控制室操作，是第一架與第二架支架之間的雙向液壓桿進行伸縮動作[5]，使第一架支架前移到位后并進行固定，以此類推，直至所有支架移動到指定位置。支架到位后通過控制雙向液壓支撐桿上移推動頂板液壓支撐桿，從而使支架兩側支撐板升起并與破碎頂板接觸嚴實，通過控制室控制支撐板對頂板支撐壓力不得低于25 MPa。護頂動作完成后，通過人工護幫板操作閥組，使支架兩側護幫板與巷幫接觸嚴實。

擋矸護頂支架移動、護頂、護幫等動作主要通過遠程控制臺進行操作，施工人員可通過控制室內遠程監控系統對支架位置、支撐高度、支撐壓力、故障等參數進行實時監測。

2 擋矸護頂移動支架優缺點及應用效果分析

2.1 支架優缺點

（1）成本低，維護方便。由于該支架成本相對較低、結構簡單，而且能夠進行二次回收[6]，每臺支架的成本大約為1.4萬元，與傳統的注漿及假頂方式相比，能夠節約費用約21萬元。

（2）支護效果好。該支架利用乳化液泵對液壓桿進行控制，不僅能夠保證支架支撐力不變，還能有效防止控制冒落、煤壁片幫現象，與傳統的注漿及假頂方式等支護方式相比，該支架在2105巷破碎區域應用過程中，未出現頂板下沉及煤壁片幫的情況，提高了巷道的穩定性。

（3）實用性強。由于該支架體積較小、重量輕，能夠廣泛地應用在復雜地質條件的采掘工作面中，而且還可用于隧道、橋梁等工程施工中，應用區域廣，實用性強。

（4）勞動強度低。由于該支架的操作簡單，只需兩人就可完成對支架的操作，與傳統的注漿及假頂方式等支護方式過程相比降低了工人的勞動強度及勞動費用[7]。

（5）該支架使用中還存在以下不足：巷道空間小，設備無法進行搬運而人工搬運難度大；支架在受壓過程中，由于受力不均勻常常出現傾斜現象；由于配套的乳化液泵壓力不足[8]，支架支撐力達不到標準。

2.2 實際應用效果分析

截止2018年9月14日，2105巷已完全過斷層破碎帶，通過對斷層破碎帶處擋矸護頂移動支架應用效果觀察發現，該支架在使用過程中可對頂板、煤壁矸石進行有效阻擋，避免了因墜落矸石砸壞設備及砸傷施工人員等事故，機電事故率降低至2%以下；同時巷道破碎帶處采用支架支護后，控制了頂板下沉、破碎現場，頂板最大下沉量控制在0.15 m以下，提高了頂板錨桿、錨索支護效果，支護失效率降低至3%以下，提高了破碎頂板穩定性。

3 結束語

針對2105巷過斷層破碎帶時頂板穩定性差，支護失效率高，頂板維護難度大等技術難題，設計了一套掘進巷道擋矸護頂移動支架，通過實際應用效果觀察發現，該支架自動化水平高、操作簡單、故障率低，可對頂板破碎、下沉現象進行有效控制，應用效果好，得到了一致認可，并在其他煤礦類似地質條件采掘工作面進行應用，具有顯著應用前景和推廣意義。