掘進(jìn)巷道綜合臨時(shí)支護(hù)研究與應(yīng)用

李 一

（平煤股份十二礦，河南 平頂山 467000）

1 概述

巷道支護(hù)歷來(lái)是地下工程施工中技術(shù)難度最大、可靠性要求最高、施工工藝最復(fù)雜的工程。 推廣煤巷錨桿支護(hù)是我國(guó)煤炭工業(yè)繼綜采后的第二次支護(hù)技術(shù)革命，已列為煤炭工業(yè)科技攻關(guān)的重點(diǎn)。 過(guò)去我國(guó)機(jī)掘巷道相配套支護(hù)方式， 主要是采用U 型鋼或礦用工字鋼金屬棚支護(hù)。與此相比，采用錨桿支護(hù)具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[1]。加強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)安全生產(chǎn)勢(shì)在必行， 是煤炭行業(yè)發(fā)展錨桿支護(hù)技術(shù)的必然趨勢(shì)，對(duì)煤炭行業(yè)科技進(jìn)步有著重要意義。

綜合型臨時(shí)支護(hù)的技術(shù)價(jià)值在于合理地找到掘進(jìn)機(jī)與臨時(shí)支護(hù)的結(jié)合點(diǎn)，合理配置臨時(shí)支護(hù)的動(dòng)作功能，有效改善頂板應(yīng)力狀態(tài)[2]。 由于掘進(jìn)機(jī)是定型的產(chǎn)品，所以必須最大程度減少對(duì)其結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)。 此外，臨時(shí)支護(hù)還要保證適用于各種機(jī)型掘進(jìn)機(jī)的安裝改造， 這是本機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮的問(wèn)題。

2 井下巷道臨時(shí)支護(hù)的現(xiàn)狀

目前機(jī)掘巷道掘錨工藝普遍采用掘進(jìn)機(jī)截割與風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)鉆裝錨桿相配套的方式，掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行切割工作，完成后對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，再進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)。 為了對(duì)頂板起到支護(hù)作用，防止頂板冒頂造成人身傷害事故，之前我礦煤礦巷道掘進(jìn)時(shí)，采用將多條前探梁（鋼管或工子鋼）沿巷道方向懸掛在頂板上探至空頂區(qū)的方式，但是這種支護(hù)方式有很多缺點(diǎn)。

多年來(lái)，我礦一直在新型臨時(shí)支護(hù)這方面進(jìn)行研究，有了很大進(jìn)展，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很多經(jīng)驗(yàn)，但在某種程度上還存在可操作性差、干涉現(xiàn)象嚴(yán)重、對(duì)巷道頂板要求高、適用范圍窄等問(wèn)題。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)及其實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

多進(jìn)尺和高可靠性是我們的共同心愿。 新型臨時(shí)支護(hù)實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)支護(hù)機(jī)械化連續(xù)性工作， 可從根本上解決井下掘進(jìn)效率低、 勞動(dòng)強(qiáng)度大、 生產(chǎn)安全性低三大難題。 結(jié)構(gòu)合理、動(dòng)作可靠、操作簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便是設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)。

綜合考慮我礦巷道條件的實(shí)際情況， 該機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為： ①平均無(wú)大故障（不升井維修） 時(shí)間不小于3000 h；②錨高適用范圍2.6～5.0m，巷道寬度3.5～5.0m；③超出截割頭距離1.6m 加前伸3m；④支護(hù)范圍2（長(zhǎng)）x2（寬）展開(kāi)3.4m×3.4m； ⑤折疊后最小高度100mm； ⑥頂板傾斜20°，大坡度45°；⑦展開(kāi)時(shí)間70s；⑧臨時(shí)支護(hù)與掘進(jìn)機(jī)共用一泵站，無(wú)需另加動(dòng)力裝置；⑨臨時(shí)支護(hù)不超出掘進(jìn)機(jī)的有效外限尺寸；⑩模塊化設(shè)計(jì)，方便運(yùn)輸和井下安裝；1○整機(jī)重量0.96t。

3.2 實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容

新型臨時(shí)支護(hù)裝置主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

3.2.1 新型臨時(shí)支護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)與各種型式的掘進(jìn)機(jī)通過(guò)截割部進(jìn)行連接， 使以往人工支護(hù)操作變?yōu)闄C(jī)械化控制操作， 讓礦工從艱苦危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解脫出來(lái)，可極大地提高井下生產(chǎn)操作的安全性。

3.2.2 新型臨時(shí)支護(hù)操作上與掘進(jìn)機(jī)互鎖： 掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)， 在不影響掘進(jìn)機(jī)正常工作情況下臨時(shí)支護(hù)收縮折疊到最小程度。 而臨時(shí)支護(hù)工作時(shí)，掘進(jìn)機(jī)處于閉鎖狀態(tài)，不能進(jìn)行操作，確保整機(jī)的操作安全性。

3.2.3 新型臨時(shí)支護(hù)具有前后伸縮折疊、 高低調(diào)整功能，通過(guò)這些功能可以完成巷道頂板的臨時(shí)支護(hù)工作。

機(jī)載臨時(shí)支護(hù)具有如下優(yōu)點(diǎn)： ①為使頂板處于安全支護(hù)狀態(tài)，采用油缸對(duì)頂板施加一定的初撐力。 ②為了有效地對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行支護(hù)，采用整體掩護(hù)梁設(shè)計(jì)，增大支護(hù)面積。 ③采用綜掘機(jī)液壓系統(tǒng)控制，掘進(jìn)結(jié)束后即可對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行有效支護(hù)，速度快，操作簡(jiǎn)單可靠。 ④為了縮短了支護(hù)時(shí)間，提高開(kāi)機(jī)率及巷道開(kāi)拓進(jìn)尺，支護(hù)系統(tǒng)需要安裝在綜掘機(jī)頂部，并隨綜掘機(jī)一起推進(jìn)。 ⑤空頂區(qū)支護(hù)時(shí)，為確保安全，工作人員需要在安全區(qū)操作。 ⑥操作簡(jiǎn)單，提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)與制造

我礦2012年確立新型臨時(shí)支護(hù)研發(fā)項(xiàng)目，開(kāi)始對(duì)井下地質(zhì)條件及國(guó)外產(chǎn)品的工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研， 初步確立了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，然后多次與山東兗煤精益交流，方案不斷得到完善。 在產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，項(xiàng)目組人員深入煤礦井下跟班實(shí)習(xí)考察， 對(duì)頂板臨時(shí)支護(hù)操作規(guī)程有了全面的了解。 在具體設(shè)計(jì)中，使用三維運(yùn)動(dòng)仿真分析檢驗(yàn)各部件的碰撞和干涉，利用ANSYS 有限元分析軟件校核產(chǎn)品重要部件疲勞負(fù)荷壽命及強(qiáng)度， 最大限度地提高關(guān)鍵部位的可靠性。 2012年3月進(jìn)入工作圖紙及工藝設(shè)計(jì)階段，至2012年5月中旬完成全部技術(shù)資料設(shè)計(jì)編制工作。

4.1 總體方案設(shè)計(jì)

對(duì)于總體設(shè)計(jì)原則要求如下： ①在不干擾掘進(jìn)機(jī)截割、裝載作業(yè)及司機(jī)的操作視線(xiàn)的情況下，采用與掘進(jìn)機(jī)兩機(jī)疊加的配套方式，全液壓控制，掘護(hù)交叉作業(yè)。 掘進(jìn)作業(yè)時(shí)需要將臨時(shí)支護(hù)折疊收縮至掘進(jìn)機(jī)截割蓋板上面， 進(jìn)而最大程度縮小外限尺寸。 ②支護(hù)采用面接觸方式， 以油缸提供支撐力。 ③頂板支護(hù)時(shí)必須適應(yīng)傾斜巷道。④必須考慮護(hù)網(wǎng)與鋼帶的托舉固定方式。⑤結(jié)構(gòu)件要有足夠的強(qiáng)度、剛度和使用壽命。 ⑥與各種型號(hào)掘進(jìn)機(jī)配套，要求對(duì)掘進(jìn)機(jī)的改動(dòng)盡可能少，配套方便，不得損害掘進(jìn)機(jī)的工作部件，降低其使用壽命。 ⑦要求支護(hù)系統(tǒng)機(jī)械化程度高，操作方便，支護(hù)快捷，安全可靠，便于井下安裝使用。

4.2 主要研究?jī)?nèi)容

4.2.1 新型臨時(shí)支護(hù)與掘進(jìn)機(jī)合理配置

新型臨時(shí)支護(hù)裝置與掘進(jìn)機(jī)配置方式是把主要的折疊機(jī)構(gòu)設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)叉升架兩側(cè)， 上部只有折疊框架和頂梁板匍匐于叉升架上部。 主折疊油缸尾部鉸耳與掘進(jìn)機(jī)叉升架鉸軸同軸固定， 主折疊架鉸耳座與叉升架固連接。 其液壓系統(tǒng)的雙向液壓鎖、安全閥附裝在各自油缸體外，液壓膠管集束理順連接到司機(jī)臺(tái)前的操縱閥組，液壓源來(lái)自掘進(jìn)機(jī)[3]。 收攏后不影響司機(jī)掘進(jìn)作業(yè)。

4.2.2 機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)

在既有足夠強(qiáng)度、 剛度又滿(mǎn)足低高度大傾角頂板巷道要求的條件下，順暢地完成翻展支護(hù)動(dòng)作，我們需要在基本平面連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，反復(fù)研究，篩選出最優(yōu)的機(jī)構(gòu)組合方案。

4.2.3 液壓系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)按完成動(dòng)作需要設(shè)計(jì)，力求簡(jiǎn)單，更注重安全可靠，各元件附裝在各自油缸外，免除了集中閥組。

4.2.4 關(guān)鍵部件可靠性設(shè)計(jì)與分析

應(yīng)用ANSYS 等有限元分析軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行CAE 計(jì)算機(jī)輔助分析，對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核、疲勞分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 應(yīng)用設(shè)計(jì)失效模式和效果分析來(lái)最大限度地提高關(guān)鍵部位的可靠性， 以降低運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)失效的風(fēng)險(xiǎn)，以科學(xué)的手段從設(shè)計(jì)階段保證產(chǎn)品的可靠性。

4.2.5 易干涉部位的分析與設(shè)計(jì)

充分利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維造型， 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬裝配，三維動(dòng)畫(huà)仿真模擬巷道支護(hù)動(dòng)作，找出容易發(fā)生碰撞和干涉的部位，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2.6 工藝流程、 勞動(dòng)組織及支護(hù)的安全可靠性分析研究

結(jié)合礦上現(xiàn)有支護(hù)工藝流程、勞動(dòng)組織及支護(hù)方式，在掘進(jìn)機(jī)配置新型臨時(shí)支護(hù)機(jī)后，對(duì)有關(guān)工藝流程、勞動(dòng)組織等重新研究，使其更具合理性和安全性。

臨時(shí)支護(hù)和掘進(jìn)機(jī)在結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)立性與通用性，它可以與EBZ120、EBZ150、EBZ160、EBZ200 掘進(jìn)機(jī)通用裝配。 結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性也使設(shè)備的使用維護(hù)極其方便，為現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備性能的提升創(chuàng)造了必要的條件。

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

5.1 新型臨時(shí)支護(hù)裝置的總體結(jié)構(gòu)布局合理， 由結(jié)構(gòu)件、油缸、安全閥、操縱閥、管路等組成完整系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)緊湊、外限尺寸小、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高；節(jié)省成本，減小空間；采用機(jī)械化操作，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)快速掘進(jìn)。

5.2 能夠使支撐部件探出掘進(jìn)機(jī)切割頭1.6 米以上，采用高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)，保證了支撐的可靠性。

5.3 臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，動(dòng)作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)；利用截割部側(cè)部銷(xiāo)軸定位支撐，使臨時(shí)支護(hù)與掘進(jìn)機(jī)形成一體化結(jié)構(gòu)，適用于各種機(jī)型掘進(jìn)機(jī)的安裝改造。

5.4 特有的液壓轉(zhuǎn)換閥裝置， 實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和互鎖。 臨時(shí)支護(hù)工作狀態(tài)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)所有液壓操作手柄和電氣按鈕全部閉鎖，操作失效，保障臨時(shí)支護(hù)工作時(shí)的人身安全。

6 社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義與推廣價(jià)值

目前還有部分煤礦巷道臨時(shí)支護(hù)完全由人工勞動(dòng)來(lái)完成，人工支護(hù)輔助勞動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高。

新型臨時(shí)支護(hù)方式， 實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)支護(hù)機(jī)械化連續(xù)性工作，減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了輔助勞動(dòng)時(shí)間，提高了勞動(dòng)效率，特別是確保了生產(chǎn)安全。

新型臨時(shí)支護(hù)是高附加值產(chǎn)品，其社會(huì)效益顯著。 一方面該機(jī)的成功應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的人工支護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)了安全高效掘進(jìn)、支護(hù)連續(xù)性工作；另一方面該機(jī)代表了我國(guó)目前綜掘機(jī)械化技術(shù)水平， 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)掘護(hù)一體化的空白，提高了國(guó)產(chǎn)煤機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)水平，為煤炭安全生產(chǎn)信息化建設(shè)開(kāi)辟了一條新路。

［1］田勇.機(jī)載式臨時(shí)護(hù)頂機(jī)的研制與應(yīng)用［J］.中州煤炭，2009（1）：9-11.

［2］劉建華.綜掘機(jī)載式臨時(shí)支護(hù)裝置的研究與應(yīng)用［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2014（4）：87-90.

［3］劉俊峰，劉斌.綜掘機(jī)載式液壓臨時(shí)支護(hù)機(jī)的研制與應(yīng)用［J］.煤礦開(kāi)采，2010（1）：17-21.