煤礦巷道掘進(jìn)錨桿支護(hù)工藝研究

張建廷

（晉能控股集團(tuán)有限公司同家梁礦，山西 大同 037003）

引言

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展，巷道掘進(jìn)對(duì)于支護(hù)的要求也越來(lái)越高，支護(hù)工藝的落后逐漸成為限制行業(yè)發(fā)展的主要因素?，F(xiàn)階段，煤炭的開采產(chǎn)量以及生產(chǎn)面積在逐年提升，而支護(hù)技術(shù)卻未發(fā)生改變。支護(hù)技術(shù)與開采技術(shù)的不匹配對(duì)井下生產(chǎn)安全造成了巨大的威脅，同時(shí)也嚴(yán)重影響了煤炭企業(yè)井下生產(chǎn)持續(xù)性，影響企業(yè)效益[1-2]。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文依據(jù)現(xiàn)有的掘進(jìn)工藝對(duì)傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)支護(hù)部件以及相關(guān)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，使支護(hù)技術(shù)達(dá)到現(xiàn)有掘進(jìn)工藝要求，適應(yīng)巷道掘進(jìn)的快速發(fā)展，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，增強(qiáng)井下生產(chǎn)安全性。

1 支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀分析

支護(hù)技術(shù)是指對(duì)井下煤炭開采工作面進(jìn)行安全支護(hù)，保證井下作業(yè)人員人身財(cái)產(chǎn)安全的技術(shù)。支護(hù)分為臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)兩種，臨時(shí)支護(hù)一般較先于永久支護(hù)。臨時(shí)支護(hù)是指在進(jìn)行地下作業(yè)時(shí)，為防止工作面上方巖石墜落，保證井下工作人員安全，對(duì)頂板采取一定的臨時(shí)支護(hù)措施?，F(xiàn)階段的臨時(shí)支護(hù)技術(shù)主要有打點(diǎn)樁支護(hù)技術(shù)、液壓支護(hù)技術(shù)、木頭支護(hù)技術(shù)以及前探梁支護(hù)技術(shù)，以前探梁支護(hù)技術(shù)與液壓支護(hù)技術(shù)運(yùn)用最為廣泛。永久支護(hù)則運(yùn)用錨索以及錨網(wǎng)等部件對(duì)頂板進(jìn)行使用期限較長(zhǎng)的頂板固定[3-4]。巷道中錨桿的布置大多呈菱形布置，錨桿之間的距離一般為600～1 200 mm。其錨桿常規(guī)布置示意圖如圖1所示。

現(xiàn)階段，錨桿臨時(shí)支護(hù)大多隨掘進(jìn)機(jī)工作進(jìn)行，而永久支護(hù)大多在掘進(jìn)工作完成后再由作業(yè)人員手動(dòng)進(jìn)行，造成了企業(yè)大量的人力物力損耗，影響企業(yè)生產(chǎn)效益。同時(shí)，前探梁臨時(shí)支護(hù)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)頂板的支護(hù)作用較小，若開采煤層地質(zhì)條件較不理想，極易發(fā)生煤炭冒頂事故，威脅企業(yè)人身財(cái)產(chǎn)安全。

圖1 錨桿常規(guī)布置示意圖（單位：mm）

2 巷道掘進(jìn)錨桿支護(hù)工藝

2.1 支護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)

新型支護(hù)設(shè)備主要可以分為執(zhí)行部分、控制部分、負(fù)載部分、液壓動(dòng)力部分以及輔助部分。新型支護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如下頁(yè)圖2所示。其中，負(fù)載部分由頂梁、前探梁、側(cè)護(hù)板以及底座組成。頂梁是支護(hù)設(shè)備的主要承載部分，是防止巖石脫落的重要部件；側(cè)護(hù)板的主要作用是防止兩側(cè)的巖石脫落，保護(hù)巷道；底座的主要作用是支撐固定支護(hù)設(shè)備?？刂撇考饕ǜ黝愰y門以及相應(yīng)的輔助設(shè)備，是滿足設(shè)備運(yùn)行，對(duì)執(zhí)行部分進(jìn)行實(shí)際調(diào)控的部件；輔助部分主要有連接件以及相關(guān)的設(shè)備推進(jìn)部件，對(duì)設(shè)備運(yùn)行起輔助作用；液壓動(dòng)力部分主要由液壓泵以及相應(yīng)管路組成，主要作用為將設(shè)備的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為靜壓能，為設(shè)備運(yùn)行提供動(dòng)力；永久支護(hù)設(shè)備選用懸掛式可移動(dòng)錨桿機(jī)，該裝置可減少臨時(shí)與永久支護(hù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高井下支護(hù)工作效率，保障井下人員人身安全[5-7]。

圖2 新型臨時(shí)支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

新型支護(hù)設(shè)備是一種運(yùn)用履帶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的自移式支護(hù)設(shè)備，設(shè)備移動(dòng)的工作面須為梯形或者矩形。工作人員在進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)可在設(shè)備配備的液壓機(jī)械錨桿鉆機(jī)的保護(hù)下進(jìn)行作業(yè)，保障工作人員的人身財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)設(shè)備還預(yù)留了充足的空間，可保證巷道通風(fēng)，避免有害物質(zhì)污染。新型臨時(shí)支護(hù)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)與掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的交叉作業(yè)，最大限度地保證煤炭開采效率。

新型支護(hù)設(shè)備是與掘進(jìn)機(jī)相互配合作業(yè)的，設(shè)備作業(yè)時(shí)位于掘進(jìn)機(jī)上方，當(dāng)完成掘進(jìn)作業(yè)后，支護(hù)設(shè)備會(huì)運(yùn)行至工作位置，立柱上端上升，下端下降，直到下端穩(wěn)定支撐，上端貼至巷道頂面[8]。然后側(cè)護(hù)板會(huì)展開貼近巷幫，這時(shí)即可進(jìn)行永久支護(hù)作業(yè)。

2.2 新型支護(hù)設(shè)備構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.2.1 頂梁

常用的頂梁結(jié)構(gòu)主要有整體型、鉸接型以及楔形三種結(jié)構(gòu)。其中，在設(shè)計(jì)鉸接型頂梁時(shí)前梁大多會(huì)預(yù)留150 mm左右的縫隙，使得頂部部分破碎矸石落下；楔形結(jié)構(gòu)頂梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)多、設(shè)備響應(yīng)往往較慢，且設(shè)備容易損壞。故本文選用由槽鋼焊接而成的整體型頂梁，可有效提高作業(yè)效率，保證頂板永久支護(hù)質(zhì)量，防止掉落。

2.2.2 底座

為適應(yīng)井下煤炭生產(chǎn)不同的巷道底板環(huán)境，本文采用履帶式底座設(shè)計(jì)。履帶式底座可較好地適應(yīng)煤炭工作面底板高低不平，移動(dòng)環(huán)境復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，提高設(shè)備靈活性，使設(shè)備壽命更長(zhǎng)。

2.2.3 側(cè)護(hù)板

新型支護(hù)設(shè)備側(cè)護(hù)板設(shè)計(jì)中加入了兩翼支護(hù)的設(shè)計(jì)元素，可更好地保證作業(yè)人員安全，同時(shí)也提高了支護(hù)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的側(cè)護(hù)板設(shè)計(jì)主要有無(wú)頂外接式、內(nèi)接頂梁式以及鉸接式。其中，無(wú)頂外接式較易發(fā)生側(cè)護(hù)板伸縮故障，內(nèi)接頂梁式會(huì)發(fā)生護(hù)板承受壓力過(guò)大現(xiàn)象。故本文選用鉸接式側(cè)護(hù)板設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

鉸接式側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，且有效彌補(bǔ)前兩種設(shè)計(jì)類型的缺陷，較為適合新型支護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)要求。

圖3 鉸接式側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 前探梁

前探梁設(shè)計(jì)主要有內(nèi)伸縮式與外伸縮式兩種。外伸縮式前探梁使用易損壞，故本文選用內(nèi)伸縮式前探梁設(shè)計(jì)。除此之外，本文還在頂梁處進(jìn)行了前探梁鉸接設(shè)計(jì)，使前探梁支撐新頂板速度更快，防止因支護(hù)不及時(shí)而造成的冒頂事故。

2.2.5 護(hù)幫部件

為防止掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中煤壁片幫事故與頂板冒落的相互誘發(fā)，新型支護(hù)設(shè)備增加了護(hù)幫部件的設(shè)計(jì)，護(hù)幫部件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。護(hù)幫部件中的護(hù)幫板可以很好地對(duì)煤壁產(chǎn)生支撐作用，防止片幫事故的發(fā)生。同時(shí)，位于護(hù)幫梁耳座處的鉸接點(diǎn)可依據(jù)不同巷道斷面的特征進(jìn)行位置調(diào)整，也可對(duì)煤壁起到一定的支撐作用。

圖4 護(hù)幫部件結(jié)構(gòu)示意圖

3 模擬仿真分析

依據(jù)上述分析進(jìn)行新型支護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Soliderworks軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的新型支護(hù)設(shè)備進(jìn)行建模。將新型支護(hù)設(shè)備的主要受力構(gòu)件頂梁以及液壓支撐柱進(jìn)行力學(xué)分析，各部件應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果圖如圖5所示。由分析結(jié)果圖可知，新型支護(hù)設(shè)備主要受力構(gòu)件頂梁以及液壓支撐柱在頂板作用下應(yīng)力、應(yīng)變符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi)，故新型支護(hù)設(shè)備可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中。

圖5 新型支護(hù)設(shè)備主要受力構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著巷道掘進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，巷道支護(hù)技術(shù)已越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)巷道掘進(jìn)的要求。巷道支護(hù)與掘進(jìn)技術(shù)的不匹配使得煤炭井下生產(chǎn)效率降低，人身財(cái)產(chǎn)安全受到巨大威脅。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文通過(guò)對(duì)支護(hù)部件以及相關(guān)支護(hù)設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)巷道支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)模擬仿真分析，新型支護(hù)設(shè)備在頂板作用下應(yīng)力、應(yīng)變變化符合設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，新型支護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)合理。