絲杠式超前支護在巷道掘進中的應(yīng)用

李晉會

（山西煤炭運銷集團掌石溝煤業(yè)有限公司，山西晉城 048400）

0 引言

受地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存以及掘進工藝等影響，巷道掘進期間煤壁片幫嚴重，導(dǎo)致巷道掘進后頂板空頂面積大，傳統(tǒng)巷道掘進后頂板及時施工永久支護［1］，但是由于空頂處頂板面積大、頂板穩(wěn)定性差，永久支護施工期間頂板破碎嚴重，甚至發(fā)生局部冒落現(xiàn)象，威脅著巷道支護施工安全。

某煤礦15102運輸順槽設(shè)計長度為1 538 m，巷道設(shè)計斷面規(guī)格為4.6 m×4.0 m （寬×高），巷道掘進煤層為15#煤層，平均厚度為4.0 m，施工巷道采用綜合機械化掘進施工工藝，掘進量為5.5 m/d，截止目前巷道已掘進540 m。根據(jù)煤礦地測科提供資料顯示，15102 運輸順槽掘進期間在580 ～840 m范圍內(nèi)共計揭露12條正斷層，斷層平均落差為0.7 m，平均傾角為52°，受斷層群影響，巷道掘進至590 m處時巷道應(yīng)力破壞現(xiàn)象嚴重，巷道掘進后煤壁片幫嚴重。導(dǎo)致巷道空頂距加大，最大空頂距達2.4 m；而巷道掘進后進行工作面煤矸運輸、永久支護施工需用時4 h，在此期間頂板受集中應(yīng)力破壞作用，空頂頂板出現(xiàn)嚴重破碎現(xiàn)象，局部出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，不僅加大了頂板永久支護施工難度，降低支護效果，而且很容易發(fā)生頂板垮落事故。本文針對這一技術(shù)難題，通過研究，設(shè)計了一套絲杠式超前支護裝置。

1 傳統(tǒng)臨時支護形式及問題分析

1.1 傳統(tǒng)臨時支護形式

15102 運輸順槽前期掘進期間，對空頂頂板主要采用單體液壓支柱配合“π”型梁進行進行臨時支護；當(dāng)工作面迎頭空頂距達2.0 m后，及時支設(shè)單體柱，每排3 根，單體柱間排距為1.5 m。單體柱支設(shè)完成后，施工人員在單體柱掩護下進行頂板永久支護施工。

1.2 主要存在的問題

（1）勞動強度大、工序復(fù)雜。工作面支設(shè)單體柱完全靠人工搬運，工序復(fù)雜，造成工作面作業(yè)循環(huán)周期延遲，從而降低了巷道掘進速度；同時巷道頂板支護后，需人工回收單體柱，人工搬運單體柱，造成人工勞動作業(yè)強度，勞動成本費用高。

（2）支護效果差。由于單體柱配合頂梁進行頂板支護時，支護鋼性大，當(dāng)頂板來壓顯現(xiàn)時，“π”型頂梁對頂板切頂破壞嚴重，從而加劇了頂板破壞力度［2］，不僅對頂板支護效果差，而且增加了頂板永久支護難度。

（3）支柱損壞嚴重。由于15102 運輸順槽采用綜合機械化掘進施工工藝，巷道內(nèi)機械設(shè)備數(shù)量多，采用單體柱支護時支柱損壞嚴重，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，巷道每掘進10 m需更換一根單體柱，加大了巷道掘進成本費用。

2 絲杠式超前支護裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 絲杠式超前支護裝置結(jié)構(gòu)

（1）絲杠式超前支護裝置主要由縱梁、吊環(huán)、絲杠等部分組成，如圖1所示。在實際巷道掘進過程中，每組絲杠式超前支護裝置由9個吊環(huán)、9個絲杠、3根縱梁組成。

（2）縱梁及橫梁采用10#槽鋼制成，梁寬度為0.1 m；其中縱梁長度為4.0 m，橫梁根據(jù)巷道寬度進行設(shè)計，一般長度為3.0 ～5.0 m。

圖1 掘進巷道絲杠式超前支護裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（3）吊環(huán)主要由寬度為0.10 m，厚度為0.02 m 鋼板制成，吊環(huán)成“U”型狀，吊環(huán)寬度為0.2 m，在吊環(huán)頂部焊制一個直徑為φ80 mm圓孔，吊環(huán)兩側(cè)分別焊制一個直徑為φ50 mm圓孔。

（4）絲杠主要由頂帽和絲杠柱兩部分組成，頂帽主要由厚度為0.02 m鋼板支撐，頂帽長度及寬度為0.1 m，絲杠柱直徑為φ70 mm，長度為0.2 m，絲杠柱垂直焊接在頂帽下方。

2.2 裝置工作原理

巷道掘進后在頂板永久支護施工前，將9 個吊環(huán)分別安裝在工作面前3排錨桿外露端，每排安裝3 個吊環(huán)，吊環(huán)間距為2.0 m；吊環(huán)安裝后將3 根縱梁縱向插入到吊環(huán)內(nèi)，并延伸至工作面迎頭；3 根縱梁安裝后，順時針擰動絲杠，使頂帽緩慢上升，3根縱梁在絲杠帶動作用下與頂板接觸嚴實，從而實現(xiàn)了縱梁對工作面空頂超前支護的目的［3］。

2.3 裝置優(yōu)缺點

2.3.1 優(yōu)點

（1）成本費用低。絲杠式超前支護裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，便于操作維護［4］，整套裝置制造成本費用為0.12萬元，成本費用低，裝置在使用過程中故障率低。

（2）使用效果好。該裝置投入使用后，有效解決了巷道掘進后頂板大面積空頂維護難度大、支護施工危險系數(shù)高等技術(shù)難題［5］，具有顯著應(yīng)用效果。

（3）實用性強。該裝置不僅可用于煤礦井下采掘工作面，而且還可用于隧道、橋梁等領(lǐng)域中，實用性強，應(yīng)用區(qū)域廣。

2.3.2 缺點

（1）由于該裝置在施工過程中依靠人工進行安裝，裝置自動化水平相對較低［6］；巷道每掘進3.0 m 后需前移一次，勞動強度大，對于大斷面巷道中安裝難度大［7］。

（2）在炮掘巷道中受爆破施工應(yīng)用，裝置縱梁變形嚴重，需定期進行更換，加大了裝置維修費用［8］。

3 實際應(yīng)用效果

15102 運輸順槽掘進至580 m 處對巷道安裝一套絲杠式超前支護裝置，截止2018 年3 月25 日巷道已掘進至850 m，且已完全過斷層群影響破碎帶，通過對該裝置實際應(yīng)用效果觀察發(fā)現(xiàn)，施工巷道在過斷層破碎帶期間對巷道空頂處安裝超前裝置后，巷道暴露空頂頂板下沉、破碎現(xiàn)象得到有效控制，未出現(xiàn)頂板冒落等事故，保證了永久支護施工安全。

4 結(jié)束語

本文針對15102 運輸順槽在過斷層破碎帶期間，頂板空頂面積、支護難度大、支護安全系數(shù)低等技術(shù)難題，設(shè)計了一套絲杠式超前支護裝置，根據(jù)實際應(yīng)用效果來看，該裝置可有效對空頂頂板進行超前支護作用，防止了頂板冒落事故發(fā)生，保證了永久支護施工安全，得到了一致認可，并已在其他煤礦進行推廣應(yīng)用。