上端頭支架在智能化綜采工作面的應用

楊 健，張 凱，陳琪琪，楊 紀

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048012）

山西天地王坡煤業有限公司綜采工作面回風順槽機尾上端頭處以往都采用單體柱+π 型梁的密集柱支護方式，這種支護工藝工人的勞動強度大、安全性差，且密集單體棚切頂效果差[1]。針對端尾支護存在的問題，王坡煤礦自制了針對機尾支護的特種支架，將ZQLY4000/20/38 支架一組（2架）與回風順槽超前支架底座連接，實現交替邁步式移動。回風順槽機尾的3 名作業人員成為“機動人員”，完成上端頭大架的拉移后，一是可承擔回風順槽門式支架的搬運支設及標準化整改工作； 二是煤機截割完機尾反機頭時可承擔運輸順槽巷道超前段內的零星作業。

1 概況

王坡煤礦3308 綜采工作面設計可回采長度為2 034 m，傾向長為175 m，煤層傾角2°～10°，煤層埋深為530～750 m，煤層平均厚度4.2 m。煤層直接頂為10.38 m 的砂質泥巖，老頂為5.89 m 的石英砂巖。

3308 工作面智能化控制系統由采煤機遠控子系統、三機監控子系統、電液控子系統（含工作面人員精準定位）、三機集控及工作面語音通訊子系統、泵站集控子系統、工作面千兆以太環網子系統、工作面視頻子系統、地面分控中心子系統組成。工作面內配備有112 架ZF8000/17/32D 型放頂煤支架，工作面內兩端頭4.5 m 范圍內各配備3架ZFG8000/18/32HD 型過渡放頂煤支架，回風順槽端頭配備ZFT25000/20/38D 型端頭支架2 架，工作面兩道前20 m 分別配備有ZTC20000/22/40AD 型超前支架各4 架。

2 上端頭密集單體柱支護

3308 綜采工作面上端頭支護原先采用4 m 長的π 型梁配合DW31.5-200/100X 型單體液壓支柱的支護方式（一梁三柱），并確保π 型梁一端搭接在118#支架上。上端頭切頂線支設的密集支柱采用DW31.5-200/100X 型單體液壓支柱配合π型梁支護，上端頭切頂線支設柱間距小于500 mm，排距小于800 mm 的密集支柱[2-3]，ZQLY4000/20/38型超前支架總裝如圖1 所示。

圖1 ZQLY4000/20/38 型超前支架總裝

3 ZQLY4000/20/38 型超前支架改造前分析

王坡煤礦原3310 綜采工作面運輸順槽首次使用ZQLY4000/20/38 型超前支架代替原有架棚維護頂板的方式，ZQLY4000/20/38 型超前支架在綜采工作面的應用減小了巷道頂底板移近量，維護效果好，解決了綜采工作面兩順槽超前支護段存在的支護強度低、工序繁瑣、勞動強度高等問題[4]。

ZQLY4000/20/38 型超前支架的工作高度為2.0～3.8 m，單架寬度1.4 m（包括護頂板），初撐力3 200 kN，單架工作阻力4 000 kN，推移步距900 mm，操作方式為手動操作。金屬結構件有伸縮梁、前梁、頂梁、護頂板、斜梁、前后連桿、底座和中間伸縮梁、中間梁等。液壓元件主要有立柱、各種千斤頂、液壓控制元件 （操縱閥、單向閥、安全閥）、液壓輔助元件（膠管、彎頭、三通）[5]，ZQLY4000/20/38 型超前支架總裝如圖2 所示。

圖2 ZQLY4000/20/38 型超前支架總裝

3.1 上端頭支架支護強度驗算

改造前首先對ZQLY4000/20/38 支架一組（2架） 所控制的回風順槽上端頭8 m 范圍內的頂板壓力進行強度應用性驗算。

式中：q 為單位巷道頂板壓力；γ 為直接頂容重，取27 kN/m3；a 為巷道跨度,取5 m；f 為巖石堅固性系數，取7。

8 m 范圍的回風順槽端頭壓力為：Q回采=（128.6×8）kN=1 028.8 kN

選用ZQLY4000/20/38 型端頭架，工作阻力為4 000 kN，回風順槽端頭支架的初撐力為3 200 kN＞1028.8kN，經以上驗算改造后的ZQLY4000/20/38型端頭支架能夠滿足回風順槽端頭的支護要求。

4 ZQLY4000/20/38 型超前支架改造應用

為加強3308 工作面回風順槽頂板支護強度，王坡煤機在3308 工作面上端頭改造安裝完成ZQLY4000/20/38 支架一組（2 架）。端頭兩支架并列擺放至距東幫800 mm 處，使用推移千斤配合推移框架與回風順槽超前支架底座連接，實現交替邁步式移動，為上端頭支架支護如圖3 所示。

圖3 上端頭支架支護

4.1 上端頭支架拉移裝置設計

煤機割完上端頭后，先將回風順槽超前Ⅲ、Ⅵ#4 組超前支架拉移到位，保證超前大架范圍內的20 m 頂板支護符合要求。回風順槽Ⅰ、Ⅱ#端頭大架底座聯結的2 個拉移千斤通過銷孔固定到推移塊上如圖4 所示，推移塊通過銷孔與十字頭固定到Ⅲ#超前大架底座上。先拉移Ⅲ#超前大架，此時Ⅰ、Ⅱ#端頭大架靜止，Ⅰ、Ⅱ#端頭底座聯結的2個拉移千斤內杠被拉出，Ⅲ#超前大架拉移到位后，依次拉移Ⅰ、Ⅱ#端頭大架，完成端頭大架的支護作業。

圖4 自制推移塊與拉移框架

圖5 自制推移塊與拉移框架實物

圖6 SAC 型電液控制系統單架結構

圖7 上端頭大架電液控現場改造

圖8 整體改造完成后的上端頭大架

4.2 上端頭支架電液控改造

針對需改造的ZQLY4000/20/38 液壓支架原采用手動閥組液壓控制系統存在的沖擊力矩大、操作工序比較復雜的特點，現安裝2 組支架控制器、電磁驅動器、電磁先導閥、液控換向閥、壓力傳感器、紅外線接收器[6]。

借助數據線將支架控制器串接入3308 綜采工作面SAC 型支架電液控制系統內[7]，操作人員首先站立在工作面118#架內操作Ⅱ#端頭支架，完成Ⅱ#端頭支架的挪移確認安全后，操作人員站立在Ⅱ#端頭架下操作Ⅰ#上端頭支架，挪移端頭大架期間操作人員的自身安全得到了充分保證。改造后的上端頭支架具有適應性強、可靠性高、結構緊湊、支護能力大、操作方便等特點，實現了上端頭支架的快速推進。

5 上端頭支架改造應用后的效果分析

5.1 降低支護時間與人工成本

3308 工作面上端頭采用自制的上端頭大架支護工藝后，簡化了端尾支護工序，支護所需時間由原先的40 min 降至10 min，回風順槽機尾的3 名密集支護作業人員被“解放”出來了，成為“機動人員”，新支護工藝只需工作面的2 名支架工配合就可兼職完成端尾支架推移和支護工作，完成上端頭大架的拉移后，一是可承擔回風順槽門式支架的搬運支設及標準化整改工作，二是煤機截割完機尾反機頭時可承擔運輸順槽巷道超前段內的零星作業。支護工工資9 000 元/月計算，若按照每個生產班平均減少支護工2 名，每天則減少4 個工，每月減少人工費用3.6 萬元，年均減少43.2 萬元。

5.2 降低材料成本

原先3308 回風順槽端尾采用單體柱架棚支護時最大支護高度為3.4 m，3308 回順存在局部超高段，巷高平均值為3.5 m，單體柱+π 梁上端頭支護工藝時需搭設木料構頂，需消耗大量木材，改造后的ZQLY4000/20/38 端頭支架最大支護高度為3.8 m，可降低木料消耗。

5.3 安全效益高

改造后的ZQLY4000/20/38 端頭支架安全性能好，增強了對上端頭處頂板的控制效果，遏制了頂板事故的發生，有效減輕了端頭支護工人的作業勞動強度，降低了端頭支護工作業時的安全風險。

6 結論

1）對改造后的ZQLY4000/20/38 支架一組（2架） 所控制的回順上端頭8 m 范圍內的頂板壓力進行強度應用性驗算，端頭支架能夠滿足回風順槽端頭的支護強度要求。

2）對ZQLY4000/20/38 端頭支架進行電液控改造，并經過數據線串接入3308 綜采工作面SAC型支架電液控制系統內，實現端尾液壓支架遠距離控制功能，保障了操作人員的自身安全。

3）3308 工作面上端頭采用自制的上端頭大架支護工藝后，可減少回風順槽機尾的3 名密集支護作業人員，達到了減員增效的目的。