綜采工作面自移式超前支架研發(fā)與應(yīng)用

林永闖，劉 明

（鐵法煤業(yè)集團建設(shè)工程有限責任公司礦山建設(shè)工程分公司，遼寧 調(diào)兵山 112700）

隨著礦井開采深度的不斷增加和工作面產(chǎn)能的不斷加大，煤層頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力不斷增大，綜采工作面兩道超前段快速安全支護變得愈發(fā)重要?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：綜合機械化采煤工作面安全出口與巷道連接處20 m范圍內(nèi)必須加強支護，且巷道高度不得低于1.8 m[1]。與工作面順槽液壓支架支護效果對比，單體柱超前支護難度大、耗時長、工藝復(fù)雜、安全系數(shù)低，已成為制約工作面高效生產(chǎn)的主要問題。特別是大采高工作面，單體液壓支柱極易出現(xiàn)懸吊柱、虛接頂?shù)葐栴}，支護效果大打折扣。因此考慮用一種縮小型的液壓支架代替單體柱進行超前支護，通過閥組控制代替移柱退柱，以提高工作面回采效率。

1 現(xiàn)場概況

寺河礦5304工作面位于東五盤區(qū)，煤層平均厚度為5.82 m，直接頂厚度為3.45 m。工作面走向長度為1 304 m，使用大采高一次采全高回采工藝開采。順槽53041巷斷面為5.0 m×3.8 m，凈斷面積19 m2。工作面順槽和回風巷20 m超前支護段均采用DW42-250/110X、DW45-250/110X型單體液壓支柱加柱帽進行超前支護，柱帽規(guī)格為300 mm×150 mm×50 mm。煤壁線向外20 m打兩排點柱進行支護（柱距1 m）。

隨著工作面推進，單體液壓支柱支護暴露出如下問題：一是單體柱對巷道支撐力不足，支護阻力較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移動困難，不能適應(yīng)大斷面巷道的需要。二是反復(fù)支護對巷道頂?shù)装迤茐?，匹配度不高，懸柱、漏液現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，影響支護效果。三是超前支護段安裝有破碎機、轉(zhuǎn)載機和皮帶機，造成超前支架與其配套關(guān)系復(fù)雜，運輸、安裝、前移困難。因此有必要研制一種操作簡單、結(jié)構(gòu)合理的超前支護設(shè)備，提升現(xiàn)場支護效果。

2 超前支護參數(shù)

為保證超前液壓支架支護效果，首先對5304工作面兩道超前支護段頂?shù)装鍘r性、地應(yīng)力分布情況和塑性分布情況進行分析。煤層及頂?shù)装鍘r石物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 5304工作面巖石物理力學參數(shù)

結(jié)合工作面兩巷道條件數(shù)據(jù)，對其超前支護段地應(yīng)力分布、塑性破壞分布情況進行數(shù)值模擬，如圖1所示。

由圖1可知，工作面兩巷道圍巖應(yīng)力受多次動壓影響，圍巖應(yīng)力擾動區(qū)已重新分布。其中超前支護段處于巷道圍巖松動區(qū)內(nèi)，頂板壓力小，側(cè)向應(yīng)力大，造成超前支護段塑性破壞范圍最大，并隨著與工作面距離增加而呈現(xiàn)不斷減小趨勢[2]。因此超前支護段無法采用傳統(tǒng)的等強支護模式。即傳統(tǒng)的錨網(wǎng)梁支護不會影響超前支護段圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，只是總體變形程度較小，因此可結(jié)合應(yīng)力分布結(jié)果，確定超前支護支架的支護強度和支護距離。

圖1 工作面兩巷道超前支護段應(yīng)力、塑性分布（X－走向距離，Y－傾向距離，Z－垂直距離）

3 設(shè)計方案

根據(jù)上述特點設(shè)計超前液壓支架，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超前支架主視圖

如圖2所示，超前支護液壓支架為四連桿式超前液壓支架。主要包括四大機構(gòu)：支撐機構(gòu)（頂梁、掩護梁）、連接機構(gòu)、底座機構(gòu)、推移機構(gòu)。

3.1 支撐機構(gòu)

支撐機構(gòu)是液壓支架承載頂板圍巖壓力的主要機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

如圖3所示，支撐結(jié)構(gòu)主要包括頂梁和掩護梁兩部分。頂梁用來直接接觸頂板，其水平度和抗壓強度直接關(guān)系到支架的壽命和整體穩(wěn)定性。頂梁與掩護梁通過四連桿上下連接，在支架運動時，頂梁的運動軌跡近似為雙紐線，能夠較好地保護頂板圍巖的整體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)壓力的均勻傳遞[3]。掩護梁是一個箱形結(jié)構(gòu)件，是整個支撐結(jié)構(gòu)的連接載體。支架運動時，掩護梁前端和頂梁鉸接，后端與前后連桿鉸接，并通過連桿和底座構(gòu)成四連桿核心機構(gòu)。可見在液壓支架受力中，掩護梁能夠有效起到抗扭作用，保證支架必要的梁端距離和支撐空間。

圖3 支撐結(jié)構(gòu)（上為頂梁，下為掩護梁）

3.2 連接機構(gòu)

連接機構(gòu)是一個箱形結(jié)構(gòu)，連桿與底座、掩護梁鉸接，在液壓支架中承受拉、壓及水平力而產(chǎn)生的扭曲力。該機構(gòu)能夠使液壓支架上下運動時，支架頂梁前端的雙紐線軌跡近乎平直，既保證了支架的調(diào)高范圍，又避免了占據(jù)較大的水平空間[4]，使液壓支架運動合理、穩(wěn)定。

3.3 底座機構(gòu)

底座是一個箱體結(jié)構(gòu)件，能夠?qū)⑺倪B桿、立柱、推移千斤頂?shù)炔考行нB接，保證頂板壓力平穩(wěn)傳遞到底板并穩(wěn)定支架[5]。底座機構(gòu)主要承受三個方向的力，一是頂梁、立柱傳遞過來的頂板的垂直壓力，二是底板顯現(xiàn)作用的向上作用力，三是四連桿傳遞的拉壓、扭曲力。因此底座機構(gòu)除了滿足一定的剛度和強度外，還要對起伏不平的底板適應(yīng)性要強，對底板接觸比壓要小。綜合考慮，底座寬設(shè)計為720 mm。

3.4 推移機構(gòu)

推移機構(gòu)由左右兩個支撐單元底座的鉸接座、連接頭、推移千斤頂、銷軸等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)支架的自移，其結(jié)構(gòu)與工作面液壓支架基本相同。

4 安裝工藝

現(xiàn)場使用時，將三組（6架）超前液壓支架用推移千斤連接，按照每排兩架共三排布置，如圖4所示。

圖4 超前支架側(cè)視圖及俯視圖

現(xiàn)場實物如圖5所示。

圖5 超前支架實物

圖5中現(xiàn)場試驗時，將三組超前支架用推移油缸前后連接，采用閥組分別對支架同側(cè)進行集中控制，依次在車間進行支架的支護、整體前移邁步、推移等仿真操作，效果良好。隨后將該支架組運至5304工作面進行現(xiàn)場試驗。

5 現(xiàn)場試驗

在寺河礦5304工作面機頭機尾順槽，采用3組超前支護液壓支架進行了現(xiàn)場試驗。共計使用16個月，總計回采工作面推進長度2 500 m左右。超前支架在井下進行了支護、行走試驗，對支架進行了升降、推移、側(cè)移、支護等動作，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，超前支護液壓支架完成一次移架僅需7～8 min，由2～3人同時操作，能夠滿足工作面快速推進的要求。與原先的單體柱支護相比，超前液壓支架有效縮減了工作時間，避免了現(xiàn)場扛柱、注液、移柱等人工操作，安全系數(shù)顯著提升。

6 結(jié)語

經(jīng)寺河礦5304工作面機頭機尾順槽兩道現(xiàn)場使用，超前液壓支架一次移架僅需7～8 min，由2～3人同時操作，既能有效地解決原工作面順槽單體液壓支柱支護強度低、工序繁瑣等問題，又能減輕工人的勞動強度，有效提升了工作面支護效率和安全水平。此外，超前支護液壓支架支護機械化程度高，對巷道頂?shù)装鍑鷰r控制較好，尤其在巷道頂板破碎處，可以大幅降低原有單體液壓支柱支護方式的隱患，提高端頭支護的安全性，可在類似條件工作面推廣應(yīng)用。