掘进巷道综合临时支护研究与应用

李 一

（平煤股份十二矿，河南 平顶山 467000）

1 概述

巷道支护历来是地下工程施工中技术难度最大、可靠性要求最高、施工工艺最复杂的工程。 推广煤巷锚杆支护是我国煤炭工业继综采后的第二次支护技术革命，已列为煤炭工业科技攻关的重点。 过去我国机掘巷道相配套支护方式， 主要是采用U 型钢或矿用工字钢金属棚支护。与此相比，采用锚杆支护具有更强的优势[1]。加强锚网支护安全生产势在必行， 是煤炭行业发展锚杆支护技术的必然趋势，对煤炭行业科技进步有着重要意义。

综合型临时支护的技术价值在于合理地找到掘进机与临时支护的结合点，合理配置临时支护的动作功能，有效改善顶板应力状态[2]。 由于掘进机是定型的产品，所以必须最大程度减少对其结构上的改动。 此外，临时支护还要保证适用于各种机型掘进机的安装改造， 这是本机设计中应充分考虑的问题。

2 井下巷道临时支护的现状

目前机掘巷道掘锚工艺普遍采用掘进机截割与风动锚杆钻机钻装锚杆相配套的方式，掘进机进行切割工作，完成后对空顶区进行临时支护，再进行锚网支护。 为了对顶板起到支护作用，防止顶板冒顶造成人身伤害事故，之前我矿煤矿巷道掘进时，采用将多条前探梁（钢管或工子钢）沿巷道方向悬挂在顶板上探至空顶区的方式，但是这种支护方式有很多缺点。

多年来，我矿一直在新型临时支护这方面进行研究，有了很大进展，在实际应用中取得了很多经验，但在某种程度上还存在可操作性差、干涉现象严重、对巷道顶板要求高、适用范围窄等问题。

3 设计目标及其实现的主要内容

3.1 设计目标

多进尺和高可靠性是我们的共同心愿。 新型临时支护实现巷道掘进支护机械化连续性工作， 可从根本上解决井下掘进效率低、 劳动强度大、 生产安全性低三大难题。 结构合理、动作可靠、操作简单、使用维护方便是设计的基本目标。

综合考虑我矿巷道条件的实际情况， 该机的设计参数为： ①平均无大故障（不升井维修） 时间不小于3000 h；②锚高适用范围2.6～5.0m，巷道宽度3.5～5.0m；③超出截割头距离1.6m 加前伸3m；④支护范围2（长）x2（宽）展开3.4m×3.4m； ⑤折叠后最小高度100mm； ⑥顶板倾斜20°，大坡度45°；⑦展开时间70s；⑧临时支护与掘进机共用一泵站，无需另加动力装置；⑨临时支护不超出掘进机的有效外限尺寸；⑩模块化设计，方便运输和井下安装；1○整机重量0.96t。

3.2 实现的主要内容

新型临时支护装置主要实现以下功能：

3.2.1 新型临时支护装置可以实现与各种型式的掘进机通过截割部进行连接， 使以往人工支护操作变为机械化控制操作， 让矿工从艰苦危险的工作环境中解脱出来，可极大地提高井下生产操作的安全性。

3.2.2 新型临时支护操作上与掘进机互锁： 掘进机工作时， 在不影响掘进机正常工作情况下临时支护收缩折叠到最小程度。 而临时支护工作时，掘进机处于闭锁状态，不能进行操作，确保整机的操作安全性。

3.2.3 新型临时支护具有前后伸缩折叠、 高低调整功能，通过这些功能可以完成巷道顶板的临时支护工作。

机载临时支护具有如下优点： ①为使顶板处于安全支护状态，采用油缸对顶板施加一定的初撑力。 ②为了有效地对空顶区进行支护，采用整体掩护梁设计，增大支护面积。 ③采用综掘机液压系统控制，掘进结束后即可对空顶区进行有效支护，速度快，操作简单可靠。 ④为了缩短了支护时间，提高开机率及巷道开拓进尺，支护系统需要安装在综掘机顶部，并随综掘机一起推进。 ⑤空顶区支护时，为确保安全，工作人员需要在安全区操作。 ⑥操作简单，提高了工作效率，减轻了劳动人员的劳动强度。

4 产品研发设计与制造

我矿2012年确立新型临时支护研发项目，开始对井下地质条件及国外产品的工作现场进行调研， 初步确立了总体结构设计方案，然后多次与山东兖煤精益交流，方案不断得到完善。 在产品的研发过程中，项目组人员深入煤矿井下跟班实习考察， 对顶板临时支护操作规程有了全面的了解。 在具体设计中，使用三维运动仿真分析检验各部件的碰撞和干涉，利用ANSYS 有限元分析软件校核产品重要部件疲劳负荷寿命及强度， 最大限度地提高关键部位的可靠性。 2012年3月进入工作图纸及工艺设计阶段，至2012年5月中旬完成全部技术资料设计编制工作。

4.1 总体方案设计

对于总体设计原则要求如下： ①在不干扰掘进机截割、装载作业及司机的操作视线的情况下，采用与掘进机两机叠加的配套方式，全液压控制，掘护交叉作业。 掘进作业时需要将临时支护折叠收缩至掘进机截割盖板上面， 进而最大程度缩小外限尺寸。 ②支护采用面接触方式， 以油缸提供支撑力。 ③顶板支护时必须适应倾斜巷道。④必须考虑护网与钢带的托举固定方式。⑤结构件要有足够的强度、刚度和使用寿命。 ⑥与各种型号掘进机配套，要求对掘进机的改动尽可能少，配套方便，不得损害掘进机的工作部件，降低其使用寿命。 ⑦要求支护系统机械化程度高，操作方便，支护快捷，安全可靠，便于井下安装使用。

4.2 主要研究内容

4.2.1 新型临时支护与掘进机合理配置

新型临时支护装置与掘进机配置方式是把主要的折叠机构设置在掘进机叉升架两侧， 上部只有折叠框架和顶梁板匍匐于叉升架上部。 主折叠油缸尾部铰耳与掘进机叉升架铰轴同轴固定， 主折叠架铰耳座与叉升架固连接。 其液压系统的双向液压锁、安全阀附装在各自油缸体外，液压胶管集束理顺连接到司机台前的操纵阀组，液压源来自掘进机[3]。 收拢后不影响司机掘进作业。

4.2.2 机构的研究和设计

在既有足够强度、 刚度又满足低高度大倾角顶板巷道要求的条件下，顺畅地完成翻展支护动作，我们需要在基本平面连杆机构的基础上，反复研究，筛选出最优的机构组合方案。

4.2.3 液压系统的研究和设计

液压系统按完成动作需要设计，力求简单，更注重安全可靠，各元件附装在各自油缸外，免除了集中阀组。

4.2.4 关键部件可靠性设计与分析

应用ANSYS 等有限元分析软件对产品进行CAE 计算机辅助分析，对产品的关键零部件进行强度校核、疲劳分析、结构优化设计。 应用设计失效模式和效果分析来最大限度地提高关键部位的可靠性， 以降低运转时失效的风险，以科学的手段从设计阶段保证产品的可靠性。

4.2.5 易干涉部位的分析与设计

充分利用三维设计软件进行三维造型， 在计算机上进行虚拟装配，三维动画仿真模拟巷道支护动作，找出容易发生碰撞和干涉的部位，并对其进行验证。

4.2.6 工艺流程、 劳动组织及支护的安全可靠性分析研究

结合矿上现有支护工艺流程、劳动组织及支护方式，在掘进机配置新型临时支护机后，对有关工艺流程、劳动组织等重新研究，使其更具合理性和安全性。

临时支护和掘进机在结构上具有独立性与通用性，它可以与EBZ120、EBZ150、EBZ160、EBZ200 掘进机通用装配。 结构的独立性也使设备的使用维护极其方便，为现场掘进机设备性能的提升创造了必要的条件。

5 主要创新点

5.1 新型临时支护装置的总体结构布局合理， 由结构件、油缸、安全阀、操纵阀、管路等组成完整系统；结构紧凑、外限尺寸小、操作维护简单、可靠性高；节省成本，减小空间；采用机械化操作，实现主动支撑，能够实现快速掘进。

5.2 能够使支撑部件探出掘进机切割头1.6 米以上，采用高强度钢焊接结构，保证了支撑的可靠性。

5.3 临时支护结构简单，体积小，动作灵活，适应性强；利用截割部侧部销轴定位支撑，使临时支护与掘进机形成一体化结构，适用于各种机型掘进机的安装改造。

5.4 特有的液压转换阀装置， 实现掘进与支护工作状态的转换和互锁。 临时支护工作状态时，掘进机操作台所有液压操作手柄和电气按钮全部闭锁，操作失效，保障临时支护工作时的人身安全。

6 社会经济意义与推广价值

目前还有部分煤矿巷道临时支护完全由人工劳动来完成，人工支护辅助劳动时间长、效率低、劳动强度大、危险性高。

新型临时支护方式， 实现了巷道掘进支护机械化连续性工作，减轻了作业人员的劳动强度，缩短了辅助劳动时间，提高了劳动效率，特别是确保了生产安全。

新型临时支护是高附加值产品，其社会效益显著。 一方面该机的成功应用，改变了传统的人工支护方式，实现了安全高效掘进、支护连续性工作；另一方面该机代表了我国目前综掘机械化技术水平， 填补了国内掘护一体化的空白，提高了国产煤机产品的技术水平，为煤炭安全生产信息化建设开辟了一条新路。

［1］田勇.机载式临时护顶机的研制与应用［J］.中州煤炭，2009（1）：9-11.

［2］刘建华.综掘机载式临时支护装置的研究与应用［J］.机电产品开发与创新，2014（4）：87-90.

［3］刘俊峰，刘斌.综掘机载式液压临时支护机的研制与应用［J］.煤矿开采，2010（1）：17-21.