礦用救援輕型快速成套支護裝備的研究與設(shè)計

井婷婷

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

礦山局部小范圍冒頂事故引起巷道不完全堵塞及垮塌，現(xiàn)場救援人員需要使用支護裝備對破碎頂板及有垮塌危險的頂板和巷壁進行有效支護，以達到迅速搭建安全區(qū)域或救援通道的目的。國內(nèi)現(xiàn)有的支護裝備存在不具有煤礦安全資質(zhì)、體積大、操作復(fù)雜等問題，不能滿足煤礦井下救援的需要。本文針對煤礦救援，開發(fā)設(shè)計了一種新型礦用救援輕型快速成套支護裝備，不僅符合礦用安全標準規(guī)定的強度高、質(zhì)量輕、不產(chǎn)生撞擊或摩擦花火以及無引爆可燃氣體的風險，而且便于救援人員攜帶。

1 總體設(shè)計

礦用救援輕型快速成套支護裝備主要由液壓支柱、延長柱、手動支柱、支撐頭等部件構(gòu)成，該裝備利用手動液壓泵提供支撐動力源，可在任意傾斜角度下快速支護，在支撐高度為2 m的情況下(支撐力不小于100 kN)，可支撐60 m2安全區(qū)域或搭建30 m雙排支撐安全通道，便于救援人員和設(shè)備安全快速通過。該裝備通過各種可相互連接的輕質(zhì)部件以及不同的組合形式，滿足救援現(xiàn)場各種撐頂長度及支撐方式的需要。根據(jù)冒頂引起垮塌程度的不同，可采用單根支撐系統(tǒng)或三腳架支撐系統(tǒng)組合的支護方式。

1.1 單根支撐系統(tǒng)

單根支撐系統(tǒng)是使用中最常用的支柱連接方式，主要由液壓支柱、手動支柱、一根或多根延長柱、各種支撐頭組成。各部分可單獨使用，也可組合使用，各部件端部具有可快速連接的快插接頭。單根支撐系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1-支撐頭；2-延長柱；3-液壓支柱；4-手動支柱；5-支撐頭圖1 單根支撐系統(tǒng)示意圖

1.2 三腳架支撐系統(tǒng)

三腳架支撐系統(tǒng)主要由三腳架支柱、三腳架架頭、旋轉(zhuǎn)支撐頭、固定鏈、起吊設(shè)備組成，主要是通過相關(guān)組件形成穩(wěn)定的三腳架結(jié)構(gòu)，下方配置起吊設(shè)備用來起吊重物，上方具有快速接頭，可通過連接支柱等設(shè)備形成穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)。三腳架支撐系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

1-旋轉(zhuǎn)支撐頭；2-三腳架支柱；3-三腳架；4-起吊設(shè)備；5-固定鏈圖2 三腳架支撐系統(tǒng)示意圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

礦用救援輕型快速成套支護裝備主要技術(shù)參數(shù)見表1。

礦用救援輕型快速成套支護裝備采用了高強度鋁合金材質(zhì)和輕型塑料材質(zhì)，從而減輕重量，達到便攜的目的。其主要材料采用礦用抗沖擊火花的高強度鋁合金材質(zhì)2A12、6061和7A04等以及阻燃抗靜電等輕型塑料材質(zhì)PVC和PA66等，并進行相應(yīng)阻燃抗靜電處理，其材料性能滿足《煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗方法和判定規(guī)則》(GB/T13813-2008)和《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用實驗方法和判定規(guī)則》(MT 113-1995)標準的要求。

表1 礦用救援輕型快速成套支護裝備主要技術(shù)參數(shù)

2 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 液壓支柱

(1)液壓支柱結(jié)構(gòu)。液壓支柱主要由高壓軟管、換向手柄、雙向液壓鎖、底部連接頭、油缸、活塞、頂端連接頭等部分組成，是支撐系統(tǒng)中的可調(diào)節(jié)部分。利用液壓作為動力源，缸體和活塞組成液壓腔體，利用高壓液壓油實現(xiàn)活塞的伸出或縮回。支護裝備上下端部為快速連接頭，在救援現(xiàn)場可根據(jù)實際情況與相關(guān)設(shè)備組合使用，形成不同的支撐高度和支撐形式，通過高壓軟管、換向手柄和雙向液壓鎖實現(xiàn)液壓手動泵(機動泵)的快速連接。液壓支柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

液壓回路的自鎖和高壓回流保證了支護裝備在忽然泄壓和壓力超過額定工作壓力時的安全性和可靠性，其殼體材料采用重量輕、抗沖擊火花的高強度鋁合金材質(zhì)和阻燃抗靜電等輕型塑料材質(zhì)。

(2)液壓支柱液壓工作原理。液壓支柱液壓工作原理圖如圖4所示。

1-底部連接頭；2-缸體；3-活塞；4-頂端連接頭；5-雙向液壓鎖；6-換向手柄；7-高壓軟管圖3 液壓支柱結(jié)構(gòu)示意圖

1-溢流閥；2-液壓缸；3-液壓鎖；4-溢流閥； 5-三位四通閥；6-溢流閥；7-快換接頭；8-快換接頭圖4 液壓支柱液壓工作原理圖

由圖4可以看出，快換接頭7和快換接頭8分別與機動泵或手動泵的快換接頭相連，通過手柄讓三位四通閥5處于左位時，液壓鎖3左路單向閥打開進油，對液壓缸2進行供油，同時控制油路打開右路單向閥回油，當進油腔壓力超過額定工作壓力時，溢流閥1打開，通過快換接頭7自動回油；當三位四通閥5處于右位時，對液壓缸2反向供油，其原理與左位供油相同。松開手柄時，三位四通閥5自動回到中位，進油口P和出油口T導(dǎo)通，管路泄壓，液壓缸2在兩個單向閥的作用下左右油缸處于靜止狀態(tài)，起到自鎖作用。當回油管路堵塞時，溢流閥6開啟，液壓油直接泄壓，防止損壞液壓支柱。

2.2 延長柱

延長柱是一種長度固定不變的支撐桿，主要由兩端連接頭、柱體和固定銷組成，可實現(xiàn)對支撐系統(tǒng)的快速延長，每根延長柱上都有反光彩色條，便于在黑暗中使用。常用的延長柱長度有250 mm和500 mm，延長柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

1-連接頭；2-柱體；3-連接座；4-固定銷圖5 延長柱結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 手動支柱

手動支柱兩端具有快速連接頭，主要通過轉(zhuǎn)動螺紋套調(diào)節(jié)內(nèi)柱的伸出長度，達到改變整體長度的功能。螺紋套和內(nèi)柱都為梯形螺紋配合，具有自鎖性能。手動支柱結(jié)構(gòu)示意圖如6所示。

1-固定銷；2-連接座；3-外柱；4-螺紋套；5-內(nèi)柱；6-連接頭圖6 手動支柱結(jié)構(gòu)示意圖

在支柱撐頂重物時，為了保證安全和支撐不松動，要對支柱進行鎖定。支柱的自鎖裝置由支柱內(nèi)柱、支柱外柱、鎖定套、鎖定柱和鎖球等組成。鎖定套設(shè)于支柱內(nèi)柱及支柱外柱外，并可軸向移動及通過限位結(jié)構(gòu)固定，鎖定套設(shè)有環(huán)形鎖腔及連通內(nèi)柱和環(huán)形鎖腔的鎖孔，鎖定柱的一端與外柱連接，另一端伸入環(huán)形鎖腔，鎖定柱和內(nèi)柱的外側(cè)均設(shè)有環(huán)槽。鎖球設(shè)于鎖定柱環(huán)槽內(nèi)，并可通過鎖孔進入內(nèi)柱環(huán)槽。自鎖狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

2.4 支撐頭

支護裝備里配備適用性強且種類繁多的支撐頭來完善各類支撐系統(tǒng)。平面支撐頭用于支撐平面表面；U型支撐頭帶固定孔，用于梁支撐；萬向支撐頭帶固定孔，可旋轉(zhuǎn)，用于不平坦或傾斜的表面支撐；十字支撐頭用于多種表面；三腳架架頭用于組建三腳架；旋轉(zhuǎn)支撐頭可與底座固定帶形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，也可與手動支柱、架頭等形成救援三腳架。

1-內(nèi)柱環(huán)槽；2-鎖球；3-鎖定柱；4-彈簧；5-外柱；6-鎖定柱環(huán)槽；7-環(huán)形鎖腔；8-內(nèi)柱圖7 自鎖狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

3 技術(shù)性能特點及應(yīng)用

2013年1月，中煤科工集團重慶研究院對礦用救援輕型快速成套支護裝備進行了立項，2014年12月，完成對了礦用救援輕型快速成套支護裝備的樣機制造并測試合格，該裝備所用輕合金及非金屬材料順利通過國家安全生產(chǎn)重慶礦用設(shè)備檢測檢驗中心的安全與性能檢驗。

礦用救援輕型快速成套支護裝備目前已在淮南礦業(yè)集團礦山救護隊、華能白山煤矸石有限公司礦山救護隊和國投煤炭有限公司礦山救護隊等多家救援隊中配備應(yīng)用，成功處理多起局部冒頂事故，實現(xiàn)了快速搭建救援通道。礦用救援輕型快速成套支護裝備與傳統(tǒng)支護裝備相比主要有以下特點：

(1)采用礦用抗沖擊火花、阻燃抗靜電等高強度輕型材料，具有安全、輕便、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，便于救援人員井下攜帶救援。

(2)該裝備采用的液壓系統(tǒng)具有初撐力大、支護速度快以及安全穩(wěn)定的特點，每根支柱上配備安全鎖緊裝置，以保證支撐安全。

(3)該裝備可支撐高度范圍為0.5～4 m，采用多功能萬向端頭，不僅可以在任意傾斜角度、橫向或縱向進行快速支護，也可以對狹小空間等復(fù)雜條件進行特殊支護，配備短型、中型、長型等各種規(guī)格延長桿，可通過加裝不同的延長桿來增加支撐高度。

4 結(jié)語

礦用救援輕型快速成套支護裝備具有抗沖擊火花、阻燃抗靜電、安全自鎖、支護高度范圍可調(diào)并且便于攜帶等優(yōu)點，該新型裝備能夠適應(yīng)煤礦井下特殊、復(fù)雜救援環(huán)境的安全要求，大大提高了處理局部冒頂事故的救援效率。隨著國家對安全生產(chǎn)應(yīng)急救援隊伍的救援裝備投入力度的加大，礦用救援輕型快速成套支護裝備將作為救護隊員的有力武器，得以廣泛推廣應(yīng)用。