五阳煤矿综掘工作面临时支护技术探讨

2020-08-11

江西煤炭科技 2020年3期

关键词：方管圆管煤体

（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西长治 046000）

1 机载临时支护的结构、工作原理及缺点

1.1 支护结构

传统的机载临时支护主要由顶架梁、连接器、主架、油缸、伸缩油缸、高压油路过滤器、插装双向锁、高压油路管、分流集流阀、溢流阀、控制操作阀及迎头护网等部分部件组合而成，见图1。

图1 综掘机机载临时支护结构

1.2 工作原理

首先通过掘进机油泵进行供油，然后所供油液经分流集流阀流至双向锁，双向锁打开流入油缸，在油液压力的推动下顶架打开并逐渐升起，同时主架也开始逐步升高，升至所需的高度与角度后停止上升，最后再将迎头护网挂至迎头顶架梁之上，开始进行临时支护作业。

1.3 现场使用情况及设计缺陷

在掘进机将迎头煤体逐步割完后，开始升起机载临时支护，同时需挂好护迎头护网。在此过程中，若所支护的迎头顶帮煤体较硬，并且所掘进的工作面前方较平，在近乎水平的情况下，可采用传统临时支护技术进行顶帮的支护作业，这时护迎头安全护网也可依据自身重力，在顶架梁的前部顺利垂直悬挂。但目前随着矿井开采规模的逐步扩大，采区也越来越大，矿井开采地质条件越来越复杂，井下巷道存在坡度变化且出现迎头煤体易片帮的现象。这时传统临时支护技术就很难满足支护要求，其主要暴露出的不足大致为以下几点：

（1）因迎头护网是在顶架梁上自由悬挂的，在护网遇到前后受力的情况时，便易产生前后摆动现象，在遇到迎头煤体产生大块片帮现象后，工作面迎头煤体产生的突出力迫使护网出现扭矩现象，若迎头片帮煤存在很大的冲击力时，护网的摆动幅度会加大，这时在护网后方进行施工的工作人员，将受到来自护网的动载荷的冲击，容易引发安全事故。

（2）在遇到上山掘进坡度较大的巷道时，由于该掘进临时支护迎头护网所处的状态为一种自然垂直状态，这时护网便很难与迎头煤墙紧贴，这样会挤压机载临时支护下方正在施工的施工人员的作业空间，会严重影响施工人员的正常施工作业。

（3）结合现场施工经验，在迎头护网受到大块煤体冲击后，护网时常会出现破孔现象，而在护网出现破损后，迎头垮冒的煤体或岩石会直打砸在施工人员身上，易引发人员伤亡事故。

2 综掘工作面临时支护形式

为避免机载前探梁给掘进现场带来的安全隐患，目前潞安集团绝大多数矿井都不再试验和使用机械式临时支护，若临时支护使用液压单体柱，掘进工作面没有乳化液泵，增设泵站工作麻烦且实现不了乳化液的自动配比，无法实现使用乳化液升液压单体柱，用水升则无法满足支护强度。所以重新使用窜管式前探梁临时支护。

五阳矿的前探梁临时支护，通常采用两根长度3.5m的Φ75钢管作前探梁，配合专用钢卡固定于永久锚杆螺纹上，对掘进工作面迎头和两帮进行临时支护，防止片帮伤人，同时经常需要在两根前探梁上用大板绞接。目前使用的前探梁临时支护存在以下一些问题，需要改进。

1）前探梁的重量比较重，抬运前探梁时比较费力，需要减轻重量。

2）前探梁系统部分部件安全性能低，最大受力弯矩区强度不高，需要提高最大受力弯矩区强度，提高安全性。

3 新型临时支护材料选择

针对五阳煤矿使用的前探梁临时支护存在的问题，开始“对症下药”，对前探梁临时支护进行技术改进。

3.1 高强材料的调研

巷道掘进前探梁主梁的重量是占到前探梁系统重量的90%左右，所以要减轻前探梁系统首先要减轻前探梁主梁的重量。五阳矿巷道掘进前探梁主梁采用规格89 mm×4.5 mm的Q295钢材钢管制成。要找到一种轻型高强材料作前探梁，首先想到两种材料，一种是铝合金，另一种是钛和钛合金。

经过查询，了解到铝合金有碰撞产生火花的安全隐患，一般在煤矿不能使用，钛和钛合金在煤矿井下是可以使用的。

经调研，钛金属有强度高、抗蚀性好、低温性能好等优点，但钛或钛合金管价格很高，用最便宜的钛管制造前探梁主梁成本近万元。每个掘进队每年需要投入几十万元。决定放弃用钛管作前探梁主梁的方案。

研究用高强钢材料制作前探梁，通过对前探梁材料钢号和机械性能进行了解，五阳矿原先前探梁材料钢号为20#钢，屈服强度为295MPa。根据钢材市场货品，有许多钢号的抗拉强度比五阳原用材质抗拉强度高出20%左右，可以选用替代，在不改变前探梁管直径、长度、壁厚条件下，可以提高前探梁强度20%左右。

3.2 方管与圆管前探梁材料参数比较

根据五阳煤矿掘进施工工艺，前探梁的长度需制作成3.5m，根据不同钢材牌号和型号，初步选定了以下几种合适的钢材进行参数比较，具体参数见表1。

表1 几种不同型号方管与圆管前探梁参数比较

针对现在使用的前探梁存在的两个问题，结合表1中各参数来看，虽然Q345钢材80 mm×80 mm×2.5 mm方管重量最轻，但是抗弯截面模量值比现在前探梁的材质Q295钢材89 mm×4.5 mm圆管小13%，不满足新型前探梁的选材。而Q345钢材100 mm×100 mm×2.5 mm方管和80 mm×80 mm×2.5 mm方管加焊5 mm 厚×40 mm宽的钢板与现在使用的前探梁比较，存在重量轻、抗弯模量大、抗拉屈服强度大的优势。

4 新型临时支护的应用

分别选用Q345钢材100 mm×100 mm×2.5 mm方管和80 mm×80 mm×2.5 mm方管加焊5 mm厚×40 mm宽的钢板制作的前探梁与现在使用的Q295钢材89 mm×4.5 mm圆管前探梁在某检测检验中心进行了抗压强度检测，检测结果见图2和表1。

图2 方管与圆管前探梁抗压强度检测情况

分析抗压强度检测情况，Q345钢材80 mm×80 mm×2.5 mm方管且加焊5 mm厚×40 mm宽的钢板抗压强度最大，达410MPa。因此，最终选择该型方管制作新型前探梁。

采用新型方管制作的前探梁在综掘二队7810回风巷进行了现场试用。试用表明，由于新型前探梁重量较之前减少约5kg，现场抬运、前窜后拉前探梁由之前两人协作完成优化成由一人即可完成，同时，整个使用前探梁临时支护过程节约了约30 min。有一次该巷道迎头一块约0.5 m 伪顶垮落下来时未对新型方钢前探梁造成较大损坏。