煤巷快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)支架的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

許文林

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長溝煤礦，山西 晉中 032700）

引言

目前，我國巷道掘進(jìn)以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主，而其對應(yīng)的臨時(shí)支護(hù)方式通過單體錨桿鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)。結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在一個(gè)工作周期8 h 內(nèi)，參與巷道掘進(jìn)的工作人員數(shù)量可達(dá)11 人，而懸臂掘進(jìn)機(jī)僅能夠正常工作1.5 h，其效率非常低下。因此如果能夠有效提升掘進(jìn)巷道的支護(hù)效率和安全性，節(jié)省的時(shí)間即可用于巷道的掘進(jìn)，從而提高巷道的掘進(jìn)速度[1]。設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)ο锏缹?shí)現(xiàn)快速支護(hù)的設(shè)備，在降低作業(yè)人員數(shù)量和勞動強(qiáng)度的同時(shí)，最終達(dá)到提升巷道掘進(jìn)的效率。

1 1501工程概況

本文以某礦1501 掘進(jìn)工作面為例開展研究，該掘進(jìn)工作面的走向長度為706 m，其中傾斜掘進(jìn)工作面的長度為142 m。該掘進(jìn)工作面包含4 號和5號煤層，對應(yīng)的地質(zhì)條件如表1 所示。

表1 1501 掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件

1501 掘進(jìn)工作面所屬的5 號煤層的平均傾角為8°，該工作面為矩形巷道；目前，巷道的高度為4.2 m、寬度為4.8 m，主要采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式對其中的回風(fēng)巷進(jìn)行支護(hù)。其中，所采用兩幫錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 800 mm 的右旋等強(qiáng)螺紋鋼型；頂板采用直徑為20 mm，長度為2 400 mm 的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿；頂板錨桿的排距為1 600 mm，間距為1 400 mm。

1501 掘進(jìn)工作面參與掘進(jìn)的設(shè)備類型為EBZ200 懸臂式掘進(jìn)機(jī)，該掘進(jìn)機(jī)成型巷道的最大高度為4.8 m，最大寬度為6 m，可在±8°的坡度下工作[2]。為保證所設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)支架能夠滿足對1501 掘進(jìn)工作面的支護(hù)要求，需對該掘進(jìn)工作面的礦壓進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 1501 掘進(jìn)工作面礦壓監(jiān)測結(jié)果

如圖1 所示，1501 掘進(jìn)工作面的礦壓規(guī)律可分為三個(gè)階段，包括掘進(jìn)工作面1～7 m 范圍之內(nèi)的應(yīng)力增長區(qū)；掘進(jìn)工作面7～9 m 范圍之內(nèi)的應(yīng)力峰值區(qū)；掘進(jìn)工作面10 m 以后的應(yīng)力下降區(qū)。上述礦壓監(jiān)測結(jié)果將為后續(xù)臨時(shí)支護(hù)支架的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 臨時(shí)支護(hù)支架的設(shè)計(jì)

為解決當(dāng)前市面上臨時(shí)支護(hù)支架所不能解決的問題，本著支撐煤巷快速掘進(jìn)的任務(wù)，降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度的目的，擬設(shè)計(jì)一款可隨著懸臂式掘進(jìn)機(jī)移動的機(jī)載式臨時(shí)支護(hù)支架，其能夠?yàn)楝F(xiàn)場作業(yè)人員提供一個(gè)安全操作的平臺，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)與支護(hù)為一體的綜合性設(shè)計(jì)[3]。

2.1 臨時(shí)支護(hù)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前市面大部分臨時(shí)支護(hù)支架的結(jié)構(gòu)，本工程所設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)支架在大體結(jié)構(gòu)上仍采用普通臨時(shí)支護(hù)支架的形式，不同的是本文所設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)支架在靈活度和支護(hù)強(qiáng)度方面與現(xiàn)有臨時(shí)支護(hù)支架有所不同[4]。因此，本文設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)支架也由頂梁、液壓支柱、前探梁、連接法蘭和側(cè)翼雙向可伸縮支架組成。

2.1.1 液壓支柱

液壓支柱的主要任務(wù)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)完成掘進(jìn)任務(wù)后，對所成型巷道開展錨桿錨索頂板和兩幫支護(hù)時(shí)進(jìn)行一個(gè)簡單的支撐，避免掘進(jìn)完成后的巷道頂板和兩幫的落石對設(shè)備和人員造成傷害。本文將結(jié)合支架支護(hù)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法以及國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定液壓支柱的具體參數(shù)。

2.1.2 頂梁

頂梁的主要任務(wù)是掘進(jìn)操作時(shí)與頂板直接接觸的結(jié)構(gòu)，其時(shí)臨時(shí)支護(hù)支架的直接受力結(jié)構(gòu)。因此，頂梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需綜合多方面的因素確定。目前，可采用的頂梁結(jié)構(gòu)包括一體式頂梁結(jié)構(gòu)、鉸接式頂梁結(jié)構(gòu)、楔形頂梁結(jié)構(gòu)。綜合對比上述三種頂梁結(jié)構(gòu)，最終選用鉸接式頂梁結(jié)構(gòu)，具體型號為DJB。具體頂梁結(jié)構(gòu)的長度根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

2.1.3 連接法蘭

連接法蘭為臨時(shí)支護(hù)支架與懸臂式掘進(jìn)機(jī)相連接的部件?？蛇x用的法蘭形式為整體式法蘭、松式法蘭以及任意式法蘭。鑒于懸臂式掘進(jìn)機(jī)與臨時(shí)支護(hù)支架搭載的特殊性，本工程選用任意式法蘭。同時(shí)，為了避免由于支架與掘進(jìn)機(jī)接觸面積過小所導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象，在任意式法蘭盤的位置加入了鋼板作為墊片。

2.2 臨時(shí)支護(hù)支架參數(shù)的確定

結(jié)合EBZ200 懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)確定臨時(shí)支護(hù)支架完全伸長后的長度可達(dá)到2 300 mm，整個(gè)支架的長度為6 400 mm。為保證巷道掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)支架的強(qiáng)度滿足要求，該支架采用Q345 的普通碳素鋼制造。

分別根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法、結(jié)合現(xiàn)場層狀巖體冒落拱和數(shù)值模擬方式確定臨時(shí)支護(hù)支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.25 MPa；換算得出每個(gè)液壓支護(hù)需支撐力為356.7 kN，因此選擇臨時(shí)支護(hù)支架的直徑為120 mm，對應(yīng)液壓桿的直徑為105 mm；根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果，對應(yīng)的最大應(yīng)力為21.3 kN，由此換算得出耳板銷軸的直徑為54 mm，厚度為30 mm，長度為100 mm，底邊長為100 mm。

綜合上述要求，得出臨時(shí)支護(hù)支架的主要參數(shù)如表2 所示。

表2 臨時(shí)支護(hù)支架主要參數(shù)

3 臨時(shí)支護(hù)支架的應(yīng)用效果

采用傳統(tǒng)臨時(shí)支護(hù)支架在掘進(jìn)機(jī)每工作的一個(gè)循環(huán)時(shí)間內(nèi)，有70%的時(shí)間都花費(fèi)在對掘進(jìn)工作面的臨時(shí)支護(hù)中，導(dǎo)致真正工作面的掘進(jìn)推進(jìn)時(shí)間不足，而且每次支護(hù)完成后掘進(jìn)工作面僅可推進(jìn)進(jìn)尺1.6 m[5]。實(shí)踐表明：采用傳統(tǒng)臨時(shí)支護(hù)支架，工作面每天僅可掘進(jìn)9.6 m，對應(yīng)的每月可推進(jìn)工作面長度為288 m。

實(shí)踐表明：雖然采用新設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)支架對巷道臨時(shí)支護(hù)的時(shí)間可節(jié)約0.5 h 左右；但是，采用臨時(shí)支護(hù)支架后支護(hù)完成后每次可掘進(jìn)2 400 mm，對應(yīng)的每天可掘進(jìn)工作面的長度為14.4 m，每月可推進(jìn)工作面長度為432 m。

綜上，采用新設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)支架后工作面的掘進(jìn)速度明顯增加，提升50%左右。

4 結(jié)語

一直以來，巷道掘進(jìn)效率為制約煤礦生產(chǎn)的主要因素，其無法與工作面采煤效率相匹配。因此，實(shí)現(xiàn)煤巷的快速掘進(jìn)對于提升煤礦生產(chǎn)能力具有重要意義。為此，依據(jù)縮短巷道臨時(shí)支護(hù)時(shí)間，增加每次支護(hù)后的掘進(jìn)距離的原則設(shè)計(jì)了臨時(shí)支護(hù)支架，并總結(jié)如下：

1）所設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)支架與掘進(jìn)機(jī)搭載為一體，實(shí)現(xiàn)邊支護(hù)邊掘進(jìn)的目標(biāo)；

2）采用新設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)支架每月可推進(jìn)工作面長度為432 m，比采用傳統(tǒng)臨時(shí)支護(hù)支架的推進(jìn)速度提升了將近50%。