拱形巷道滑移式臨時支護裝置研究與應用

仲照海,朱良嘉,嚴 馳

(1.陜西雙龍煤業開發有限責任公司,陜西 延安 727306;2.陜西陜煤黃陵礦業有限公司,陜西 延安 727306)

0 引言

中國是煤炭資源儲量比較豐富的國家之一,隨著國家工業水平的快速發展,對煤炭的需求量不斷增加,煤炭開采面臨越來越大的壓力,提高煤礦采掘效率迫在眉睫。近年來,綜采設備不斷更新、智能化技術得到應用,采煤速度越來越快,但掘進速度卻沒有明顯提高,采、掘失衡已成為制約煤礦高產高效的主要因素。據不完全統計,掘進效率低的主要矛盾在于掘、錨不平衡,巷道正常掘進期間,掘進時間占17%～34%,錨護時間占50%～67%,其中超前段臨時支護時間占錨護時間40%～54%,拱形巷道超前段支護時間更長。現有超前段臨時支護裝置拆卸、安裝頻繁,浪費一定的人力、財力,現場存在一定安全隱患,大大降低掘進安全效率[1]。因此,研發拱形巷道掘進工作面超前段臨時支護裝備,提高臨時支護效率,是解決問題的關鍵。

1 拱形巷道超前支護現狀

隨著煤礦產業技術的高速發展,煤礦成套裝備機械化、自動化、信息化、智能化水平越來越高,先進設備應用越來越廣泛[2]。越來越多的設備設施被研發并應用,為礦井安全高效生產提供可靠保證。尤其一些超前支護裝置的應用,為礦井安全管理減輕負擔,綜采工作面兩順槽使用超前支護裝置,替代以前單體支柱支護方式,減少勞動強度,增加支護效率[3]。矩形掘進巷道采用邁步式超前支護方式,為職工創造良好的作業條件。但拱形巷道超前支護方式在最近幾年沒有突破,多數礦井仍使用前探梁或機載式臨時支護裝置,影響掘進安全效率[4]。

前探梁臨時支護裝置主要由鋼管、吊環和木楔組成。鋼管采用3根長度4 000～5 000 mm、規格為φ78 mm×6 mm,吊環固定在錨桿上,隨著工作面掘進前移鋼管,達到臨時支護的要求。前探梁臨時支護裝置技術落后,存在主要弊端,一是對空頂區沒有初撐力,安全性、可靠性較差;二是操作復雜,依靠手工作業,支護時間長,作業效率低;三是操作人員多,且人員需進入空頂區作業,存在極大安全隱患[5]。

機載式臨時支護裝置根據掘進機性能和巷道支護工藝的特點,主要分為后置滑移式、截割部兩側側置式和截割部頂置式。后置滑移式是在掘進工作完成后,掘進機退至支護區域,臨時支護裝置從后部開至前部,壓緊巷道頂板,人工進入進行支護;其缺點為結構復雜,所需空間較大,無法與機載錨桿機協同作業[6]。截割部兩側側置式臨時支護裝置,即將臨時支護分為2部分,鉸接在截割部兩側,待需要支護時兩側支護裝置伸出,在頂板處結合,過程通過油缸控制達到支護要求。其缺點是影響操作司機視線,所需空間大。截割部頂置式是將臨時支護裝置安裝在截割部頂部,掘進工作完成后,后退至支護區域,支撐梁和掩護梁在油缸作用下升起,實現對頂板的支護。其缺點是臨時支護時截割頭不能落地,存在一定安全風險。

2 拱形滑移式臨時支護裝置的原理及應用

現代支護原理的一個基本觀點是充分利用和發揮巖層的自承能力,一方面不能讓圍巖進入松動狀態,以保持圍巖的自承能力;另一方面允許圍巖進入一定程度的塑性,使圍巖的自承能力得以最大程度發揮[7]。

2.1 拱形滑移式臨時支護裝置的結構原理

根據巖層的不同屬性和不同地壓來源,從分析地壓活動基本規律入手,運用信息化設計方法,使支護體系和施工工藝過程不斷適用于圍巖變形的活動狀態,以達到控制圍巖變形,維護巷道穩定的目的[8]。采用該支護原理,主要考慮以下2個方面:一是巷道斷面形狀要適應地應力分布的特點,一般應使巷道周邊圓滑,以防止應力集中的現象。二是支架結構的參數要和圍巖變形狀態相匹配,以便發揮其最佳支護效果。拱的重要特點是其在豎向荷載作用下能產生水平反力,由于這種反力的存在,拱的彎矩常比跨度、荷載相同的梁的彎矩小得多,并主要是承受壓力。這使得拱截面上的應力分布較為均勻,因而更能發揮材料的作用。

拱形滑移式臨時支護裝置是一種應用于拱形或半圓拱形巷道掘進交錯式支護裝置[9]。主要由液壓立柱、橫梁及順梁組成。液壓立柱共8根,每2根一組,起到支撐作用,實現設備升降。立柱與橫梁鉸接,共4根橫梁,分為主、輔橫梁,與巷道弧度相同,作為順梁的著力點和滑道。順梁與橫梁交錯布置,共8根,分為主、輔順梁,實現巷道接頂支護。臨時支護裝置采用分組框架構成的交錯式支護結構,分為主架和輔架,主架是由主前、后橫梁及與相互鉸接的主前、后順梁連接在一起組成的框架,輔架是由輔前、后橫梁及與相互鉸接的輔前、后順梁連接在一起組成的框架;主梁架的主前順梁前端與進行鋪網工作的前梁組件鉸接,并利用鉸接在主前順梁與前梁組件之間的前梁液壓缸驅動前梁組件繞主前順梁前端的鉸接軸的軸線轉動。其結構設計合理,支護和移動穩定,在拱形巷道掘進過程中互為支撐,通過移架液壓缸相互推拉行走,并保證在主、輔梁架的移動過程中有一組框架始終處于接頂狀態,實現連續的對頂板的支撐支護;顯著提高拱形巷道頂板的支護質量,消除了傳統掘進工作面工人直接在暴露的頂板下高危作業的風險。

2.2 拱形滑移式臨時支護裝置的工作原理

拱形滑移式臨時支護裝置結構簡單,根據巷道尺寸定制設計。如該巷道4.8 m×4.15 m(寬×高),拱基線高1.7 m,配套EBZ200-M2型掘錨機。錨桿18根,間距800 mm;錨索4根,間距1 600 mm。如圖1所示。

圖1 拱形滑移式臨時支護裝置配套尺寸及支護

拱形滑移式臨時支護裝置立柱共分4組,統一橫梁的左右2根立柱為1組,從迎頭向后依次為第1組(輔立柱)—第2組(主立柱)—第3組(輔立柱)—第4組(主立柱)。作業工序為:①收前梁向下旋轉至最低位置,鋼網固定在前梁上,向上旋轉至接頂;②按照要求掘進1.7 m;③抬立柱,將第1組、第3組立柱(輔立柱)收起至地面400 mm;④左右推移千斤頂伸出,伸出行程1 000 mm,左右動作必須一致;⑤降立柱,第1組、第2組立柱伸至底板;⑥抬立柱,將第2組、第4組(主立柱)收起至地面400 mm;⑦左右推移千斤頂收縮,收縮行程1 000 mm,左右動作必須一致;⑧降立柱,第2組、第4組(主立柱)立柱伸至底板,支護到位;⑨掘錨機開始掘進,每掘進10 m,開始支護作業。如圖2所示。

圖2 拱形滑移式臨時支護裝置結構原理

拱形滑移式臨時支護裝置采用電液控形式,進一步保證千斤頂動作一致性,提升裝置穩定性;采用遠程遙控器控制,無線傳輸,最遠控制距離30 m[10]。

2.3 拱形滑移式臨時支護裝置的應用效果

拱形巷道臨時支護裝置與現有掘進機上攜帶的臨時支護裝置不同,該種支架與掘進機不相連,單獨于掘進機外面,隨著掘進機向前掘進,采用機載錨護結構,及時地支護暴露出的頂板[11]。支架具有自移行走功能,操作人員在掘進機后面、支架之下進行打錨桿或架棚等永久支護的優勢。如果頂板條件不好,不允許暴露時間過長,則可以掘進2～5 m,掘進機停下打錨桿做永久支護,變“掘進—支護—掘進”的小循環為“掘進—掘進—支護—掘進—掘進”的大循環,亦能提高掘進效率。

2.4 拱形超前支護裝置的完成目標

支護面積增大、強度提升:通過對掘進臨時支護裝置結構的合理研制,替代前探梁、機載臨時支護裝置,支護裝置橫梁、順梁數量多,布局合理,其中橫梁依據巷道弧線設計,形成較密集的支護網,接頂支護牢靠,工作阻力大,實現巷道全斷面承壓支護,對掘進巷道頂板實現對連續支護下的自移,為巷道掘進與支護提供安全、便利的作業環境。

優化掘進作業循環、掘進效率提升:解決傳統臨時支護制約綜掘掘進速度問題,優化回采巷道掘進工藝,一次最長支護距離11 m,減少了前探梁前移次數,縮短了前探梁安裝、前移時間,實現掘進工作面由掘進向永久支護的機械化過渡,有效降低人工鋪網及永久支護的勞動強度,顯著提高掘進機開機率和掘進效率[12]。

安全效益提高:解決巷道掘進過程中傳統臨時支護安全可靠性差、操作過程中作業人員必須進入空頂區存在安全隱患等問題,有效控制頂板在支護和移動過程中對巖層的破壞,維持頂板完整,實現永久支護的效果;滑移式臨時支護裝置全長11 m,掘進機司機始終在臨時支護裝置下工作,前探梁支護長度3.2 m,為錨桿作業人員提供充足作業空間,實現掘進工作面臨時支護全覆蓋、無間隔的目的。

3 結論

拱形滑移式臨時支護裝置的應用,替代前探梁臨時支護和機載臨時支護形式,優化了作業工序,減少工作面作業人員數量;與掘錨機配套使用,提高錨桿支護速度,完全杜絕空頂作業,增加作業空間,提升人員作業環境安全等級;設備操作簡單,可遠程遙控控制,提高工作面智能化程度,單月掘進效率提高46%,實現拱形巷道快速掘進的目的,緩解礦井采掘接續緊張的被動局面。