自移式大傾角超前支護研究

陳飛，張紹波

(四川華鎣山廣能集團 嘉華機械有限責任公司， 四川 廣安 638600)

0 引言

《煤礦安全規程》第九十七條規定：“采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內必須加強支護，且加強支護的巷道不得小于20 m”[2]。我國綜采工作面超前支護的方式主要是在巷道掘進施工的錨桿(索)支護的基礎上，以單體液壓支護配合金屬鉸接頂梁進行支護，根據巷道斷面及頂板壓力情況確定支護參數，以確保安全出口的暢通。近水平煤層巷道超前支護中，已經有了沿順槽方向布置的超前支架，但由于穩定性、適應角度等問題，在大傾角巷道中還未有專用的超前設備，還是以錨桿(索)配合單體進行超前支護。而以單體支護為主的兩巷超前支護方式已成為制約工作面高產高效的瓶頸。因此，根據大傾角巷道條件，分析了現有超前支護的不足，研究了新型超前支護設備，從適應傾角、穩定性、推移速度、對頂板破壞等方面研究解決措施，以滿足大傾角綜采工作面超前支護要求。

1 超前支護性能要求

綜采工作面對超前支護有以下要求：

1) 礦井開采強度加大，推進速度和自動化程度提高，要求工作面端頭和順槽超前支護具有更快的移架速度和更高的支護強度。

2) 隨著綜采設備尺寸的加大、以及自動化控制設備的增多，對工作面端頭和超前巷道支護的可靠性要求越來越高，要求必須提高工作面端頭和超前支護作業的機械化水平和支護品質，才能更好的發揮成套裝備的能力，保證高產高效。

3) 我國許多煤礦都進入了開采晚期，在地質環境差和開采條件差的礦井，回采過程巷道壓力日益明顯，要求不能影響工作面的正常推進和設備及人員的安全。

2 現有超前支護方式

2.1 單體支柱超前支護

利用單體液壓支柱配合π型鋼棚支護，通過頂板壓力和巷道斷面情況確定支護參數[4]。雖然可以適應巷道的傾角，但存在以下問題:支護強度不足；根據工作面的推進需要不停地支與不停地拆，支護速度與支柱回撤速度慢；勞動強度大；成本高、安全性差[4]。單體支柱超前支護如圖1所示。

圖1 單體支柱超前支護

2.2 四連桿結構

該超前支架每組支護單元都由左右兩架組成，分列于巷道兩側，在一架前移時，其前、后及左(或右)架依然對頂板有效支撐，更好地控制頂板[5]。支架穩定機構為薄式四連桿，利用千斤頂及連接件使左、右架相連接，從而避免傾倒。由于穩定性差、無法適應巷道傾角，無法應用到大傾角巷道超前支護。由于南方煤層高度低，巷道窄，無法與轉載機合理布置，影響接煤效果，如圖2所示。

圖2 四連桿結構超前支架

2.3 排式頂梁結構

該支架采用獨立的開底交錯邁步自移方式，左右立柱在巷道中按騎轉載機的方式安裝，兩組頂梁和立柱交錯邁步自移[1]?？v梁相互按間距布置并分別與橫梁連接，立柱安裝于橫梁上，提供支撐力，中間橫梁布置兩根推移千斤頂，提供移架力。移架時分給移架，兩組縱梁相互以頂板為基礎邁步自移。這種結構超前支架無法承受側向力，在使用到大傾角巷道時，支撐時會因為傾角產生側向分力，造成倒架，穩定性差，所以也不能使用到大傾角巷道的超前支護，如圖3所示。

圖3 排式頂梁結構超前支架

3 設計難點及改進措施

3.1 設計難點

1) 適應巷道傾角。因使用在大傾角工作面，巷道一般沿頂板掘進，巷道為梯形斷面，所以超前支架需適應巷道的傾角要求，并能適應傾角的不斷變化。

2) 頂板支護。一是需要足夠的支護強度控制頂板。二是南方礦井頂板較為破碎，按超前20 m計算，需反復支撐頂板而破壞頂板，造成“垮頂”。

3) 超前支護的布置方式。需根據巷道條件研究超前設備結構尺寸，在保證其穩定性前提下能跟轉載機合理配套，不影響轉載機的接煤效果。

4) 移架困難。大傾角綜采工作面防塵水、管路漏液都會流向下出口，使巷道底板長期積水，底板遇水膨脹，使超前支護陷底，移架困難。前移效率慢就會嚴重影響工作面的正常推進。

3.2 改進措施

1) 超前支架方式是回采工作面進行超前支護處理的合理方式[3]。采用四柱支撐式支架，與巷道垂直布置，前柱長后柱短，通過調整前后柱的行程來適應傾角變化。

2) 以往巷道超前是采用單體支柱配合橫梁，單體柱距約1 m，橫梁為礦工鋼制成，接頂面積小，受力狀況差。本次盡量增大接頂面積，保證接頂效果，改善頂板受力狀況。加大推移距離，減少對頂板的支撐次數；在可靠前提下加大支架的架間距，使超前支護設備數量減少，加快推進速度，創新推移方式減少反復支撐。

3) 利用導向座代替四柱支撐式支架的四連桿，承受傾斜頂板的側向分力。減小了結構尺寸，與轉載機合理配套。因巷道里需要布置轉載機，底座就比較短。需要支護整個巷道頂板，頂梁長度比較長。為保證支架的穩定性，進行三維建模，通過計算后方的配重進行重心的調整，避免“栽頭”現象。

4) 每架布置兩組大缸徑推移分別置于支架前端與后端，保證有足夠的推移力。所有超前支架全部為拉開狀態，隨著工作面每推進一個步距末尾一架向前推移一次，末尾兩架向前推移一次……直到所有超前支架為收回狀態為一個循環，避免每推進一個步距每架都要前移一次。增加電控系統，使人員可以遙控操作，提高操作效率，一名工作人員就可以控制尾架超前支架。

4 支架參數與結構

4.1 支架參數計算

根據巷道壓力檢測數據計算超前支架工作阻力為2 800 kN，通過專業軟件分析，支護強度滿足巷道支護要求，如圖4、表1所示。

圖4 超前支架參數計算

表1 ZTHC2800/15/28D超前液壓支架主要技術特征

4.2 支架穩定性計算

因受側向力的四連桿結構改為導向座結構，導向座的強度直接關系到支架的穩定性，校核如下：

按照支架受力狀況最大的情況進行計算，工作阻力取2 800 kN,適應最大傾角40°。立柱會因頂板傾角產生沿頂板分力與垂直頂板的分力，如圖5所示。

圖5 超前支架受力分析圖

前柱缸徑為180 mm，后柱缸徑為125 mm，計算得后柱支撐力F1=910 kN，F2=1 890 kN。

二級導向座的最大力臂為121 cm，則二級導向座彎矩M2為：15 340×121=1 856 140 kg·cm。

一級導向座的最大力臂為185 cm，則一級導向座彎矩M1為：15 340×185=2 837 900 kg·cm。

二級導向座為Q460，δ25鋼板拼焊的240 mm×240 mm箱型，則H=24 cm，h=19 cm。

其抗彎截面系數：W2=(H4-h4)/6H=1 398.99 cm3。

二級導向座彎曲應力為：M2/W2=1 326.77 kg/cm2。

鋼板許用彎曲應力按屈服極限的85%計算，460 MPa×0.85=391 MPa=3 910 kg/cm2，大于二級導向座彎曲應力，強度滿足要求。

按照同樣方法計算一級導向座彎曲應力，強度可滿足要求。

通過計算驗證，導向座設計能夠克服支架側向力，滿足使用要求。

4.3 主要特點

1) 適應頂板能力強。頂梁設計為整體箱型結構，強度高、接頂面積大。對于巷道破碎頂板條件，適應性較強，又能承受頂板壓力。調整前排與后排立柱的伸出長度可實現頂梁在一定傾角范圍內擺動，能適應巷道傾角的變化。設置兩級導向座克服支架側向力，通過后排兩立柱的升、降可帶動二級升降座在底座內靈活伸出和收回，適應不同高度的工作面的需要。

2) 順利移架。超前支架底座前、后端布置兩組大缸徑推移裝置，分組動作，當超前支架出現走偏時，兩組推移分別動作，調整前、后推移距離調整超前支架的前移方向，確保順利移架。超前支架前行方向設置為40°船型結構，方便移架。裝備電控系統及遙控器，實現遙控操作，一名工作人員就可以遙控操作尾架數架超前支架,提高了操作效率。

3) 保證安全。將升降座與支架后柱全部設在底座最后端，前柱設在底座最前端，中間留足安全通道的距離，形成900 mm的安全行人通道。架與架之間設伸縮式行人踏步，隨著超前支架相鄰架的拉開與收縮，行人踏步自動收縮，保證行人通道的平與直。取消以往大傾角巷道超前的支鋼梁拆鋼梁工序，從根本上保證超前人員的作業安全。

4.4 超前支架的使用

在掘進巷道時，沿頂掘進，留部分三角煤便于支護。轉載機根據配套尺寸保證與巷道上幫的距離，便于刮板機的落煤。超前支架根據轉載機的位置布置在巷道下幫，與下幫留300 mm左右的活動空間，如圖6所示。

圖6 超前支護布置

超前支架組在初始狀態是所有超前支架全部為拉開狀態，即推移千斤頂推出狀態，隨著工作面的推進，先是末尾一架向前推移一次，推移千斤頂為收回狀態，再是末尾兩架向前推移一次，然后是末尾三架向前推移一次，如此循環，直到所有超前支架為收回狀態為一個循環，避免每推進一個步距每架都要前移一次，如圖7所示。

超前支架組初始狀態

5 結論

超前支架組采用與巷道垂直布置，通過調整前、后柱的行程距離，適應巷道頂板的傾角變化。根據巷道頂板的破碎情況，使超前支架組在布置時就拉開一個架間距，減少了超前支架的數量，減少了反復支撐頂板的次數。

與以前的大傾角巷道單體加橫梁超前支護方式相比，該超前支架采用了整體箱型頂梁，支護面積增大，接頂效果好，避免破壞頂板，并具有較強的支護強度，可滿足巷道超前支護要求。采用了遙控式操作，大大提高了支護效率、推進效率。采用大缸徑推移實現自移，不用再不停地支橫梁、拆橫梁，降低了工人勞動強度。