煤巷綜掘工作面臨時支護裝置的研制與應用

趙啟峰，周天津，黃 剛，郭敬中，李 昊

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601; 2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008; 3. 淮北礦業(yè)集團公司海孜煤礦，安徽 淮北 235000)

煤巷綜掘工作面臨時支護裝置的研制與應用

趙啟峰1,2，周天津3，黃 剛1，郭敬中1，李 昊1

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601; 2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008; 3. 淮北礦業(yè)集團公司海孜煤礦，安徽 淮北 235000)

基于煤巷綜掘臨時支護技術的現(xiàn)狀，研制了一種新型煤巷綜掘臨時支護裝置，該裝置利用永久支護頂板錨桿為懸吊載體，安裝在煤巷掘進面空頂區(qū)域，提高掘進迎頭空頂區(qū)頂板支護強度。通過前探梁、吊梁環(huán)和護頂金屬網(wǎng)等主要構件，實現(xiàn)掘進面臨時支護的防滑限位、角度可調(diào)、前探支護與護頂掛網(wǎng)同步等功能?，F(xiàn)場應用結果表明，該裝置井下裝拆靈活方便，節(jié)省了臨時支護時間，提高了支護效率，為綜掘巷道迎頭空頂區(qū)域支護安全和快速掘進提供了設備保障。

綜掘工作面；空頂區(qū)；臨時支護；護頂裝置；懸掛式

0 引言

在華北、西南等全國大部分礦區(qū)煤巷掘進工程中，因松軟破碎等復雜地質賦存條件限制，掘進面圍巖強度低，弱面發(fā)育，極易發(fā)生頂板事故，因此煤巷掘進面迎頭區(qū)域的臨時支護是巷道安全掘進過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)[1-2]。目前巷道掘進支護施工中，通常在掘進面前端2～3m處空頂區(qū)搭建臨時支護(如圖1)，大多采用單體液壓支柱或掛鉤、前探梁相互連接技術方案，屬于架棚式或懸掛式前探臨時支護類型[3]。使用上述傳統(tǒng)臨時支護裝置雖然能實現(xiàn)掘進面迎頭區(qū)域及時支護，但是單體液壓支柱臨時支護工人勞動量繁重、操作安全系數(shù)低、護頂面積小，而傳統(tǒng)的金屬前探梁懸吊式臨時支護無法適應煤巷掘進傾角起伏、頂梁與頂網(wǎng)不能同步架設等問題[4]。為此，根據(jù)目前大多數(shù)煤巷綜掘施工迎頭區(qū)域臨時支護現(xiàn)狀，研制出一套臨時支護裝置，并在淮北礦業(yè)集團海孜煤礦煤巷綜掘工作面臨時支護進行了應用，實踐表明該臨時支護裝置能對煤巷掘進迎頭區(qū)域進行及時快速臨時支護，為工人完成掘進作業(yè)提供必要的安全保障。

1 臨時支護裝置的結構設計

1.1 整體結構設計

臨時支護裝置主要由前探梁(1)、吊梁環(huán)(2)、護頂金屬網(wǎng)(3)等構件組成，如圖2所示。三根(1主2副)平行設置的前探梁的相同一端分別設置兩個吊梁環(huán)；兩個吊梁環(huán)分別固定在最靠近掘進迎頭的第一排和第二排永久支護錨桿端部螺栓上[5]；在三根前探梁設置吊梁環(huán)以外的部分設置有兩片護頂金屬網(wǎng)(3)。

圖1 臨時支護裝置安裝區(qū)域示意圖

圖2 臨時支護裝置整體結構圖

1.2 主要部件的設計

(1) 懸吊環(huán)

如圖3所示，在每個吊梁環(huán)的左右兩側對稱設置一對旋轉調(diào)角螺栓(2-2)，旋轉調(diào)角螺栓型號為M16×45mm，當巷道水平掘進方向改變時，通過調(diào)整旋轉調(diào)角螺栓，可實現(xiàn)該臨時支護主、副前探梁沿巷道掘進方向左右水平角度可調(diào)，以適應巷道掘進水平轉向不同角度支護要求；每個吊梁環(huán)的底部設置一個防滑限位螺栓(2-3)，限位防滑螺栓型號為M20×100mm，該防滑限位螺栓穿過的孔為弧形孔(2-4)，當前探梁穿入吊梁環(huán)后，可用扭矩扳手緊固該防滑限位螺栓，既能防止煤巷仰斜或俯斜掘進時前探梁滑脫(限位功能)，又能適應前探梁沿巷道掘進方向傾角起伏的變化(防滑功能)。

圖3 吊梁環(huán)結構圖

圖4 前探梁、吊梁環(huán)與護頂金屬網(wǎng)分解圖

(2) 前探梁

如圖4所示，3根前探梁平行組成一個整體，1主2副結構，主前探梁前端有掛網(wǎng)孔，副前探梁前端沒有掛網(wǎng)孔；每根前探梁均為礦用槽鋼焊接結構件，長度3500 mm，寬度60 mm，高度50 mm，前探梁的寬度、高度應與吊梁環(huán)的寬度、高度相適應，確保前探梁能從吊梁環(huán)中穿入。根據(jù)巷道寬度配備前探梁數(shù)量，原則上不少于3根，即：1主2副結構，超寬巷道必須增加前探梁數(shù)量。

(3) 護頂金屬網(wǎng)

為了拆裝方便，每片護頂金屬網(wǎng)包括兩部分：長方形金屬框架和菱形金屬網(wǎng)格，如圖4所示。長方形金屬框架(3-1)采用φ16mm的螺紋鋼筋焊接成，長度和寬度為：2100mm×1800mm，規(guī)格尺寸應能滿足煤巷寬度和循環(huán)進尺的要求。并且在焊接時，螺紋鋼筋伸長預制3個直角掛梁鉤(3-2)，與主前探梁前端的掛網(wǎng)孔(3-3)連接，便于護頂金屬網(wǎng)與主前探梁連接可靠。菱形金屬網(wǎng)格采用φ6mm的鋼筋焊接而成，規(guī)格為：70mm×70mm。護頂金屬網(wǎng)與前探梁連接，實現(xiàn)前探梁和護頂金屬網(wǎng)同步架設，克服了傳統(tǒng)單體液壓支柱臨時支護護頂面積小、柱間易冒落頂板碎小煤矸、安全可靠性差等缺點。

上述護頂金屬網(wǎng)及前探梁均通過吊梁環(huán)與永久支護錨桿連接，頂板永久支護錨桿宜采用φ20mm×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿，拉拔力應不小于70kN，以確保該臨時支護裝置整體懸吊安全可靠。

1.3 工作原理

該臨時支護裝置的工作原理：3根前探梁的一端均分別與兩個吊梁環(huán)相連，前探梁的另一端與護頂金屬網(wǎng)連接；兩個吊梁環(huán)分別固定在最靠近掘進迎頭的第一排和第二排永久支護錨桿端部螺栓上，吊梁環(huán)底部布置1個限位防滑螺栓、吊梁環(huán)兩側對稱布置2個旋轉調(diào)角螺栓；左、右片護頂金屬網(wǎng)分別通過其各自掛梁鉤與主前探梁前端的掛網(wǎng)孔連接，使得臨時支護的主、副前探梁、左右護頂金屬網(wǎng)與永久支護的錨桿連接成一體，并與限位防滑螺栓、旋轉調(diào)角螺栓配合完成不同起伏角度、水平不同轉向煤巷掘進時掘進頭臨時支護工作。

2 臨時支護操作過程及設計特點

2.1 操作過程

(1) 將已加工完成的主、副前探梁，吊梁環(huán)，護頂金屬網(wǎng)和用于固定各構件的不銹鋼螺栓、卡銷運送至井下煤巷掘進工作面，按上述設計要求進行現(xiàn)場裝配；

(2) 根據(jù)懸臂式掘進機自身結構和截割特點，完成截割循環(huán)后退6～8 m，截割頭落地、停機。同時派專人清理浮煤、敲幫問頂、處理不安全隱患，為掘進迎頭臨時支護做好準備；

(3) 將吊梁環(huán)分別固定在最靠近掘進迎頭的第一排和第二排永久支護的錨桿上，將前探梁的一端穿進吊梁環(huán)中；護頂金屬網(wǎng)通過掛梁鉤與主前探梁前端的掛網(wǎng)孔連接；通過前探梁托起護頂金屬網(wǎng)，從而使前探梁、護頂金屬網(wǎng)與永久支護的錨桿之間連接成一體；

(4) 使用扭矩扳手緊固每個吊梁環(huán)底端的限位防滑螺栓，確保前探梁、護頂金屬網(wǎng)能緊貼巷道頂板，此時，施工人員在該臨時支護的保護下進行打鉆、安裝錨桿等永久支護作業(yè)；

(5) 在該臨時支護的保護下完成永久支護作業(yè)后，掘進機開進，繼續(xù)進行下一循環(huán)的截割工序；待截割工序完成后，再前移該臨時支護裝置，確保前探梁緊跟掘進迎頭；如此循環(huán)往復，使得掘進迎頭一直在該臨時支護裝置的保護之下。

2.2 設計特點

本臨時支護裝置相對于傳統(tǒng)的單體液壓支柱臨時支護，具有以下特點：

(1) 該臨時支護裝置由前探梁、吊梁環(huán)和護頂金屬網(wǎng)等構件組成，以永久支護頂板錨桿作為懸吊基點[6-7]，安裝和前移操作簡單，對各種類型的煤巷掘進臨時支護區(qū)域適應性強。

(2) 該臨時支護裝置中的前探梁、吊梁環(huán)和護頂金屬網(wǎng)均在地面預制加工而成，井下安裝靈活方便，節(jié)省臨時支護時間，提高煤巷綜掘整體施工效率。

(3) 吊梁環(huán)上安裝有限位防滑螺栓和旋轉調(diào)角螺栓，可實現(xiàn)掘進迎頭臨時支護的限位防滑、角度可調(diào)、頂梁和頂網(wǎng)同步架設等功能，既有利于前探梁在煤層傾角起伏變化、水平不同轉向巷道掘進迎頭穩(wěn)固可靠地發(fā)揮臨時支護作用，又可防止巷道掘進迎頭頂板破碎煤(巖)體垮落砸傷人員，克服了傳統(tǒng)單體液壓支柱臨時支護護頂面積小、柱間頂板碎小煤矸易冒落、安全可靠性差等缺點[8-9]。

3 臨時支護裝置的應用

本臨時支護裝置在淮北礦業(yè)集團公司海孜煤礦三水平Ⅲ1014 運輸平巷綜掘工作面進行了應用。該巷道布置于10號煤層內(nèi)，煤層厚度2.0～5.9 m，平均厚度3.6 m，煤層傾角8°～21°，平均角度17°。巷道總長1148.7 m，錨網(wǎng)支護，錨桿間排距700 mm×700 mm，巷道寬度4000 mm，高度3200mm。使用EBZ-220型綜掘機，作業(yè)循環(huán)方式為掘支單行。根據(jù)鄰近巷道掘進經(jīng)驗，Ⅲ1014 運輸平巷在前期一直采用單體液壓支柱(支柱初撐力大于30kN，柱帽規(guī)格500×200×50 mm)進行臨時支護，掘進機截割時間60 min左右，臨時支護時間(包括支設單體液壓支柱、穿鞋、帶帽)為15～18 min，而且每個循環(huán)只允許掘進2排。因本條巷道跨度較大(寬度4000 mm)、隨煤層傾角巷道起伏較大(煤層傾角8°～21°)，原有單體液壓支柱臨時支護形式工人勞動量大、操作安全系數(shù)低、護頂面積小的缺點逐漸顯現(xiàn)，為此決定采用本課題組研制的臨時支護裝置，并選取80 m巷道掘進進尺跟蹤觀測，主要觀測掘進機截割時間、臨時支護時間、每班完成循環(huán)數(shù)、日進尺以及掘支各工序配套情況。觀測結果表明：采用本新型臨時支護裝置，掘進迎頭臨時支護時間(包括固定吊梁環(huán)、掛護頂金屬網(wǎng))為8～10 min，與傳統(tǒng)的單體液壓支柱臨時支護相比，臨時支護時間縮短33.3%～55.6%，綜合月進尺由196m提高到294m，而且減少搬運錨桿鉆機、拉管子等循環(huán)次數(shù)，縮短輔助工序時間，提高煤巷綜掘整體效率[10]。

表1 本臨時支護裝置與傳統(tǒng) 單體液壓支柱臨時支護對比

續(xù)表

4 結論

(1) 煤巷掘進臨時支護裝置以永久支護已錨固的頂板錨桿作為其懸掛支撐點，通過吊梁環(huán)底端的限位防滑螺栓、兩側的旋轉調(diào)角螺栓以及護頂金屬網(wǎng)與前探梁的搭接，可實現(xiàn)該臨時支護裝置的限位防滑、角度可調(diào)、前探支護與頂板掛網(wǎng)同步等功能。

(2) 煤巷掘進臨時支護裝置的作用是維護煤巷掘進工作面與后方永久支護(錨網(wǎng)支護)之間的作業(yè)空間，杜絕掘進迎頭空頂作業(yè)，防止掘進工作面頂板巖層冒落和早期離層，確保煤巷掘進工作面作業(yè)安全。

(3) 本臨時支護裝置克服了傳統(tǒng)單體液壓支柱臨時支護護頂面積小、柱間易冒落頂板碎小煤矸、安全可靠性差等缺點?，F(xiàn)場應用表明，本臨時支護裝置結構合理，安裝拆卸簡單，縮短了臨時支護時間，提高了煤巷掘進效率，同時前探梁在掘進迎頭支護距離長，能隨掘隨延伸，為巷道掘進臨時支護區(qū)域提供安全的作業(yè)環(huán)境。

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Study and application of temporary support device for fully-mechanized roadway heading face

ZHAO Qi-feng1,2，ZHOU Tian-jin3，HUANG Gang1，GUO Jing-zhong1，LI Hao1

( 1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China;2.StateKeyLabofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou，221008,China;3.HaiziCoalMine,HuaibeiMiningIndustryGroupCompany,Huaibei，235000,China)

The backwardness of temporary support technology in the coal roadway was one of the key factors that restricted fully-mechanized coal roadway excavation. Based on the present status of the temporary support technology for the fully-mechanized mine roadway heading in China, the paper studied the new type temporary support device for the fully-mechanized roadway heading face. Taking the permanent supporting roof bolts as the hanging carriers, the flexible temporary support device was put to the unsupported roof area of the heading face and the support intensity of heading face unprotected area had improved significantly. The temporary support device, with the forepoling steel bars, slinger rings and roof protecting metal meshes, can realize the following functions, such as fixed non-slip support device, adjustable rotation angles, hanging beam and laying metal meshes synchronously. The application results show that this new temporary support device can be installed flexibly and improve the support efficiency for fully-mechanized roadway heading face. In addition, this new device has provided the effective equipment for supporting safety of the roadway heading face unprotected area.

fully-mechanized roadway heading face; unprotected area; temporary support; roof support device; roof-hanging

2016-02-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助(3142015087，3142013035)；河北省礦井災害防治重點實驗室資助項目(KJZH2013S03)

趙啟峰(1982-)，男，山東棗莊人，博士，華北科技學院安全工程學院講師。E-mail:mineqfz@sina.com

TD353

A

1672-7169(2016)03-0036-04