煤矿井下遥控式移动风桥关键技术研究

李 刚

1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

风 桥设置在 2 条交叉叠置巷道的交叉通风处，将 2 股平面交叉的风流隔成立体交叉的一种通风设施，以避免风流短路，使进、回风流隔开互不干扰，有利于降尘降温[1]，同时人或设备可在交叉的上、下行巷道分别通过，是井下的“立交桥”。井下传统使用的风桥分为永久性风桥和临时性风桥 2 种：永久性风桥的混凝土、料石等虽然服务时间长，但是施工工程量大、费用较高，掘进初期不能快速形成通风系统[2]；临时性风桥以铁筒式风桥为主，其服务年限较短，具有施工容易，成本较低的优点，但只起到隔离风流的作用，且通过风量较小。

在跨辅运、胶运巷掘进形成联巷的过程中，利用移动风桥，可以快速形成通风系统，缩短风桥施工时间、降低施工成本、减少安全隐患，符合“机械化减人、自动化换人”的发展理念。

1 存在的问题

国内外对风桥的研究主要集中在施工工艺上，传统风桥在施工过程中存在如下问题。

(1) 工程量大，难度大[3]，需要挑顶、砌筑桥腿、桥面与表面喷浆等工作，完全由人工操作，工艺复杂，劳动强度大。

(2) 施工周期较长，掘进初期不能快速形成通风系统，影响掘进进度和采区的正常接续工作。

(3) 安全风险大，施工挑顶中需采取搭设木垛、单体、工字钢或堆煤等措施供掘进设备通过，影响正常风量，存在安全隐患。

(4) 施工费用高，因工程量和难度大，用工多，成本高。

(5) 传统风桥为固定建筑物，施工中一次性投用，服务年限到期后只能封闭废弃，不可再利用，造成浪费。

2 履带式移动风桥

履带式移动风桥如图 1 所示。其主要由承载梁、伸缩套筒组件、支撑稳定装置、侧帮支撑梁、履带行走机构、电控和液压系统等组成。通过遥控实现远程控制。

图1 履带式移动风桥Fig.1 Caterpillar-typed mobile wind bridge

(1) 在 2 条巷道交叉位置砌墙后，移动风桥装置布置于被跨巷道中间位置，支撑稳定装置伸出，保证其整体稳定性。

(2) 升起伸缩套筒内的升降立柱，使得承载顶梁撑顶，用限位销轴将固定伸缩套筒固定。将支撑梁千斤顶伸出，使得侧帮支撑梁与料石墙相互支撑，增强移动风桥装置支撑的稳定性。

(3) 移动风桥装置的承载梁作为巷道掘进的施工平台，供掘进设备与人员从装置上通过，巷道贯通期间被跨巷道行人、车辆可从桥面下通行。

(4) 巷道贯通后，在承载梁上铺设钢板、工字钢和胶垫，浇注厚度为 300 mm 的混凝土，完成风桥的修建。待上巷道稳定成型后，回撤移动风桥装置，到下一个工作区域进行风桥的修建。

3 结构特点

(1) 移动风桥自带动力，移动灵活，支撑范围大，可以快速形成通风系统，缩短风桥施工时间，减少了安全隐患。

(2) 承载顶梁分段设计，两侧设置侧帮支撑梁，支护范围大 (8.0 m×6.5 m)，可适应不同巷道宽度以及设备下井的空间要求。

(3) 移动风桥中部 (2.8 m×3.2 m)，设置斜桥，巷道贯通期间便于人员、设备从桥面下通行。

(4) 采用宽履带行走机构[4-5]，特种材料制造的大节距履带板，承载能力大，接地比压小，不易打滑；行走减速器及驱动电动机置于行走机架内[6]，降低了整体高度和宽度。

(5) 设置连接梁与伸缩固定梁，保证了整体的稳定性。

(6) 行走机构采用液压牵引方式[7]，负载敏感控制与遥控比例电液控制，解决了行走机构跑偏的问题。

(7) 采用 200 m 自动卷缆与低位油箱，保证电缆收放排列整齐和远距离控制，解决了补油问题[8]。

(8) 采用遥控技术[9]，传递距离不低于 30 m。

4 移动风桥控制系统设计

移动风桥控制系统由液压与电气控制系统组成，具有 6 种执行功能：①行走功能，2 台行走电动机通过减速器驱动履带链轮行走；② 支撑功能，由 4 根立柱伸缩，使承载顶梁与下巷道顶板相接，保证上巷道设备安全通过；③支撑稳定功能，风桥 4 个方向与底板平稳接触，保证设备整体稳定性；④ 卷缆功能，在风桥的移动过程中，通过遥控卷缆马达转动并带动卷缆滚筒收放电缆；⑤ 侧帮支撑功能，风桥左右两侧各 2 套侧帮支撑梁，保证设备的安全与整体稳定性；⑥ 自动加油补液功能，使得风桥安全支护状态下快速自动给设备油箱加油，自动为支撑立柱补液，保证设备具有足够的支撑力。

电气控制系统采用无线遥控和有线操纵，可实现移动风桥 6 种执行功能的控制；电控系统具有故障检测、报警与保护，可实现自动补液、限位报警、压力显示、密封性警告等功能；电动机具有过流、过载和缺相保护；显示器和数码管可显示压力、温度、油位等指标，并具有时钟提醒等功能。履带式移动风桥主要技术参数如表 1 所列。

表1 履带式移动风桥主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of caterpillartyped mobile wind bridge

5 应用实例

移动风桥于 2018 年 9 月在三道沟煤矿进行工业性试验。该矿井煤层赋存稳定，埋藏浅、涌水量小、近水平煤层，低瓦斯矿井。采用 EBZ-260 型悬臂式掘进机进行上部巷道的施工；风桥施工处搭建完成后，下部巷道宽度为 5.2 m，高度为 4.5 m，上部巷道宽度为 5.5 m，高度为 4.0 mm；在施工过程中，移动风桥承担桥面上方掘进机、运输设备通过的动静载荷不小于 100 t；不阻断该风桥设备所在巷道的正常风流通过，通行车辆最大尺寸 (6.0 m×2.4 m× 2.4 m)，满足通风以及车辆顺利通过。

(1) 下巷两侧砌墙厚为 800 mm，基础深度为 400 mm，墙体长度为 8.5 m，高度为 4.3 m，墙体用φ22 mm×2 600 mm 的高强锚杆、φ17.8 mm×3 500 mm 的锚索加固[4]，锚杆间排距为 1.0 m×1.0 m，底部锚杆距底高度为 280 mm；锚索距底高度为 2.5 m，间距为1.8 m。

(2) 移动风桥现场布置示意如图 2 所示。移动风桥距离墙体 600 mm，位于下巷中间位置，侧帮支撑梁与料石墙相互支撑；为车辆提供宽度为 2.8 m，高度为 3.2 m 的安全行车空间；距下巷中线为 16.5 m，以 22° 斜坡向上挑顶[3]，斜坡挑顶段水平长度为 11.1 m，掘进机通过移动风桥承载梁后，以 20°斜坡向下掘进至找到煤层顶板后沿煤层顶底板掘进，斜坡挑顶段水平长度为 12.4 m。

图2 移动风桥现场布置示意Fig.2 Site layout sketch of mobile wind bridge

(3) 跟随掘进机挑顶掘巷采用锚杆、锚索以及钢丝网对巷道进行联合有效支护。上部巷道贯通后，在移动风桥承载梁上架设钢板和工字钢，铺设橡胶垫，浇注混凝土厚度为 300 mm，强度等级为 C20。

(4) 砌筑料石墙所用时间为 2 d，移动风桥布置于巷道中间位置，提供 260 t 的支撑力，上部巷道贯通成型所用时间为 9 d，风桥成型共计用时 11 d；施工检测压力为 6.3～15.4 MPa，支撑力为 50.6～123.9 t，支撑力利用率为 25.2%～52.0%；压力统计平均值为9.3 MPa，平均支撑力为 74.8 t，平均支撑力利用率为 37.2%。移动风桥稳定性良好，形成良好的通风系统，完全满足快速搭建平台的需要。

6 结语

遥控式移动风桥的使用，解决了煤矿井下人工搭建平台时阻断正常风流且单体支撑不可靠等安全隐患。该移动风桥可以快速形成通风系统，缩短了施工时间，减少了材料消耗，提高了下部巷道支护强度和成巷速度，降低了工人劳动强度，提升了煤矿的安全可靠性，具有较好的推广应用价值。