掘進作業中的機械化支護系統

侯茂功

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

引言

巷道掘進是煤礦作業的關鍵工序之一，巷道掘進、掘進深度以及掘進前準備工作都是按照計劃提前規劃實施的[1]。隧道施工的基本過程是連續進行的。現有掘進系統在假設柔性支架的同時必須停止采礦作業，因為掘進機前方需要安裝一組隧道柔性支架，該支架的架設牢固程度會影響到工作面作業人員的安全。即使在機器不工作的情況下，也存在各種類型的威脅，例如巖崩等問題，對靠近采空區的作業人員十分危險。在掘進機工作過程中，安全放置支架，將臨時機械化巷道支架插入工作面，然后在永久支架架設的同時開展回采作業，在這種情況下，放置支架的工作人員在掘進機后部，也就是臨時和永久支架的交界處[2-3]。

因此需要開發一種新的臨時性機械化支架來實現上述結構設想，這可以解決礦井工作中遇到的臨時機械化隧道支架鋪設問題。該問題的解決可以實現與回采相關的機械化開采聯合工作，提升礦井自動化工作水平，保證井下工作面支護的穩定性。

1 機械化支護系統的設想與概念

機械化支護系統的基本假設是在工作面前方安裝永久支護部位出發，然后從掘進工作面前端上沿開始，伸出臨時支護支架，保證隧道的穩定性，直到永久支架樹立起來。根據該設想，該支架的組裝將在臨時機械化隧道支架的末端采用模塊化安裝和運輸組裝方式進行。因此，該系統應包括臂式掘進機、臨時機械化隧道支護和模塊化安裝運輸裝配。

2 臨時機械化隧道支護應用假設

在煤礦系統中，地下巷道是提供進入和準備開采煤炭的物理場所。這些隧道有一個具體的橫斷面，供物資和設備使用。在巷道挖掘的過程中，由于受到土質不同的影響，所使用的臨時機械化巷道支護的支架密度，傾斜角度等許多事項都不同，本文所討論的是針對致密巖石而設計的，而不是松散巖石土層。因此，綜合考慮擬定臨時機械化隧道支架的概念和設計時，制定以下應用假設：隨著礦井工作面前方掘進；永久性鋼架可放置在臨時機械化隧道支架后部；該系統可以滿足一輛掘進機、一輛鉆孔車和一輛裝載機，以及所陪同的其他輔助物料及工具（如刮板輸送機、礦車等），可在臨時機械化隧道支架下作業；臨時機械化隧道支架的最小長度必須大于掘進機或用于切割和裝載的機器長度（對于目前運行的機器來說，這一長度不得小于16 m）；支架內部的自由空間寬4.2 m，以確保機器的自由移動或通過；可以在坡度±12°和半徑15 m以上的隧道中工作；通過位于掘進機后面的液壓電源為臨時機械化隧道支架提供乳化液，從而為設備提供動力；通過支架本身組裝和拆卸臨時機械化隧道支架（使用機械手或工作平臺架設永久支架和懸掛軌道）。

基于上述假設和要求，提出了臨時機械化隧道支護的初步概念。它被設計成一個模塊化的結構，可以增加或刪除單獨的部分。由六個分段組成的集合視圖如圖1 所示。

圖1 一套六框架的臨時機械化隧道支護概念圖

臨時機械化隧道支護由兩個外框架1 和四個相同的內框架2 組成。下部直線部分裝有行程為300 mm的膨脹缸3，將這些膨脹缸加長150 mm 獲得支架的標稱尺寸，剩余150 mm 備用。各個部分由四個移動氣缸相互連接。由于考慮到他們的工作方式，這些氣缸在框架位置是雙向作用氣缸，內框架中的氣缸是單向作用的。此外，拱由管狀導軌連接，以確保其在移動過程中的穩定性。每個框架由兩個側拱和一個內拱組成。移動氣缸的支架和管道導軌的支架安裝在使用特殊安裝板的帶有可拆卸接頭的拱上。此外，框架的重要組成部分的表面覆蓋著一個特殊的轉輪，設計該零部件的目的是在控制巖石結構強度和保護巷道挖掘中作為指導，該附件裝配在拱門上。

在上頁圖1 所示的概念中，臨時機械化隧道支護適用于鋼拱支護截面的隧道中。一組相對于另一組的行程是280 mm，這是由進料氣缸行程所決定的。在操作過程中各部分之間的距離與進給氣缸長度相同，為900 mm。

該系統的工作模式為，當工作面向前推進時，通過控制膨脹缸上的伺服電機系統來控制膨脹缸向前移動，從而將單個支撐段向前移動。當支撐段移動到預定位置后，將支撐段打開起到支護作用，該支撐段固定后，再進行下一個支撐段的支護工作，從而將整個支護系統調整到位。

3 臨時機械化隧道支護應用分析

采用臨時機械化隧道支護的模型和設計工作過程可以制定一份設計方案，根據該方案制作支護原型。在設計階段開發了幾種替代液壓系統。在每一種情況下，都提供了一個內置在特殊滑行結構上的液壓電源，隨著平端前進，在支架后面移動。根據樣機的需要，設計并制作了一套局部手動控制的液壓系統。

支架已在實驗室條件下進行了預測試驗（見圖2-1）。作為試驗臺試驗的一部分，對支架的功能進行了測試，并通過測量選定行程、膨脹氣缸的供應和流量來測試液壓系統的參數。測試結果顯示運行狀況良好，不需要進行修正或修改。然后在礦坑區建立完整支護，進行地下開采試驗（見圖2-2）。

圖2 臨時機械化巷道支護試驗

在運行測試期間，發現了幾個問題，并在改進支護功能的過程中解決了這些問題。增加了導管的數量，改變了行程油缸的固定方式，驗證了液壓動力源的控制系統和參數。值得注意的是，試驗臺和地下試驗并未表明有必要對支架和液壓系統的施工進行重大改變。測試成功，形成了功能齊全的移動隧道支撐。

臨時機械化隧道支護的唯一限制是，如果支護是在頂板巖石較為松散的礦井中使用時，應力預期巖石可能在支護（巖崩）之前澆筑，這將阻止其支護和移動。同樣，在底部薄弱的情況下，支撐腳有崩潰的風險。因此需要制訂預防措施，但需要在實際條件下進行試驗。

4 結語

從井下巷道掘進作業中遇到的開拓進度緩慢、安全性差等問題出發，分析研究了在實際井下掘進工作中遇到的支護需求，提出了支護改進的臨時機械化支護方案，并對支護系統進行了模型預測以及建模分析。之后，對該模型進行了實驗，實驗結果表明，機械化支護系統整體運行良好，但應該注意巷道巖石層的實際情況，尤其是在頂部或底部巖石有崩壞危險時，應對巖石層做混凝土澆筑等預防措施。本方案為巷道的快速開拓提供了解決方案，為機械開采和采礦鉆孔和爆破方法提供了更多的設計支持。最重要的和關鍵的優勢是該系統顯著增加了巷道開挖工作的安全性，改善了開采成本與周期問題。