五陽煤礦綜掘工作面臨時支護技術探討

（山西潞安環保能源開發股份有限公司五陽煤礦，山西 長治 046000）

1 機載臨時支護的結構、工作原理及缺點

1.1 支護結構

傳統的機載臨時支護主要由頂架梁、連接器、主架、油缸、伸縮油缸、高壓油路過濾器、插裝雙向鎖、高壓油路管、分流集流閥、溢流閥、控制操作閥及迎頭護網等部分部件組合而成，見圖1。

圖1 綜掘機機載臨時支護結構

1.2 工作原理

首先通過掘進機油泵進行供油，然后所供油液經分流集流閥流至雙向鎖，雙向鎖打開流入油缸，在油液壓力的推動下頂架打開并逐漸升起，同時主架也開始逐步升高，升至所需的高度與角度后停止上升，最后再將迎頭護網掛至迎頭頂架梁之上，開始進行臨時支護作業。

1.3 現場使用情況及設計缺陷

在掘進機將迎頭煤體逐步割完后，開始升起機載臨時支護，同時需掛好護迎頭護網。在此過程中，若所支護的迎頭頂幫煤體較硬，并且所掘進的工作面前方較平，在近乎水平的情況下，可采用傳統臨時支護技術進行頂幫的支護作業，這時護迎頭安全護網也可依據自身重力，在頂架梁的前部順利垂直懸掛。但目前隨著礦井開采規模的逐步擴大，采區也越來越大，礦井開采地質條件越來越復雜，井下巷道存在坡度變化且出現迎頭煤體易片幫的現象。這時傳統臨時支護技術就很難滿足支護要求，其主要暴露出的不足大致為以下幾點：

（1）因迎頭護網是在頂架梁上自由懸掛的，在護網遇到前后受力的情況時，便易產生前后擺動現象，在遇到迎頭煤體產生大塊片幫現象后，工作面迎頭煤體產生的突出力迫使護網出現扭矩現象，若迎頭片幫煤存在很大的沖擊力時，護網的擺動幅度會加大，這時在護網后方進行施工的工作人員，將受到來自護網的動載荷的沖擊，容易引發安全事故。

（2）在遇到上山掘進坡度較大的巷道時，由于該掘進臨時支護迎頭護網所處的狀態為一種自然垂直狀態，這時護網便很難與迎頭煤墻緊貼，這樣會擠壓機載臨時支護下方正在施工的施工人員的作業空間，會嚴重影響施工人員的正常施工作業。

（3）結合現場施工經驗，在迎頭護網受到大塊煤體沖擊后，護網時常會出現破孔現象，而在護網出現破損后，迎頭垮冒的煤體或巖石會直打砸在施工人員身上，易引發人員傷亡事故。

2 綜掘工作面臨時支護形式

為避免機載前探梁給掘進現場帶來的安全隱患，目前潞安集團絕大多數礦井都不再試驗和使用機械式臨時支護，若臨時支護使用液壓單體柱，掘進工作面沒有乳化液泵，增設泵站工作麻煩且實現不了乳化液的自動配比，無法實現使用乳化液升液壓單體柱，用水升則無法滿足支護強度。所以重新使用竄管式前探梁臨時支護。

五陽礦的前探梁臨時支護，通常采用兩根長度3.5m的Φ75鋼管作前探梁，配合專用鋼卡固定于永久錨桿螺紋上，對掘進工作面迎頭和兩幫進行臨時支護，防止片幫傷人，同時經常需要在兩根前探梁上用大板絞接。目前使用的前探梁臨時支護存在以下一些問題，需要改進。

1）前探梁的重量比較重，抬運前探梁時比較費力，需要減輕重量。

2）前探梁系統部分部件安全性能低，最大受力彎矩區強度不高，需要提高最大受力彎矩區強度，提高安全性。

3 新型臨時支護材料選擇

針對五陽煤礦使用的前探梁臨時支護存在的問題，開始“對癥下藥”，對前探梁臨時支護進行技術改進。

3.1 高強材料的調研

巷道掘進前探梁主梁的重量是占到前探梁系統重量的90%左右，所以要減輕前探梁系統首先要減輕前探梁主梁的重量。五陽礦巷道掘進前探梁主梁采用規格89 mm×4.5 mm的Q295鋼材鋼管制成。要找到一種輕型高強材料作前探梁，首先想到兩種材料，一種是鋁合金，另一種是鈦和鈦合金。

經過查詢，了解到鋁合金有碰撞產生火花的安全隱患，一般在煤礦不能使用，鈦和鈦合金在煤礦井下是可以使用的。

經調研，鈦金屬有強度高、抗蝕性好、低溫性能好等優點，但鈦或鈦合金管價格很高，用最便宜的鈦管制造前探梁主梁成本近萬元。每個掘進隊每年需要投入幾十萬元。決定放棄用鈦管作前探梁主梁的方案。

研究用高強鋼材料制作前探梁，通過對前探梁材料鋼號和機械性能進行了解，五陽礦原先前探梁材料鋼號為20#鋼，屈服強度為295MPa。根據鋼材市場貨品，有許多鋼號的抗拉強度比五陽原用材質抗拉強度高出20%左右，可以選用替代，在不改變前探梁管直徑、長度、壁厚條件下，可以提高前探梁強度20%左右。

3.2 方管與圓管前探梁材料參數比較

根據五陽煤礦掘進施工工藝，前探梁的長度需制作成3.5m，根據不同鋼材牌號和型號，初步選定了以下幾種合適的鋼材進行參數比較，具體參數見表1。

表1 幾種不同型號方管與圓管前探梁參數比較

針對現在使用的前探梁存在的兩個問題，結合表1中各參數來看，雖然Q345鋼材80 mm×80 mm×2.5 mm方管重量最輕，但是抗彎截面模量值比現在前探梁的材質Q295鋼材89 mm×4.5 mm圓管小13%，不滿足新型前探梁的選材。而Q345鋼材100 mm×100 mm×2.5 mm方管和80 mm×80 mm×2.5 mm方管加焊5 mm 厚×40 mm寬的鋼板與現在使用的前探梁比較，存在重量輕、抗彎模量大、抗拉屈服強度大的優勢。

4 新型臨時支護的應用

分別選用Q345鋼材100 mm×100 mm×2.5 mm方管和80 mm×80 mm×2.5 mm方管加焊5 mm厚×40 mm寬的鋼板制作的前探梁與現在使用的Q295鋼材89 mm×4.5 mm圓管前探梁在某檢測檢驗中心進行了抗壓強度檢測，檢測結果見圖2和表1。

圖2 方管與圓管前探梁抗壓強度檢測情況

分析抗壓強度檢測情況，Q345鋼材80 mm×80 mm×2.5 mm方管且加焊5 mm厚×40 mm寬的鋼板抗壓強度最大，達410MPa。因此，最終選擇該型方管制作新型前探梁。

采用新型方管制作的前探梁在綜掘二隊7810回風巷進行了現場試用。試用表明，由于新型前探梁重量較之前減少約5kg，現場抬運、前竄后拉前探梁由之前兩人協作完成優化成由一人即可完成，同時，整個使用前探梁臨時支護過程節約了約30 min。有一次該巷道迎頭一塊約0.5 m 偽頂垮落下來時未對新型方鋼前探梁造成較大損壞。

5 結語

改進后的方管前探梁現場試用后得到試用隊組職工的一致好評，一定程度上解決了重量大、強度低的兩大問題，可推廣應用到條件類似的其他掘進工作面。