丝杠式超前支护在巷道掘进中的应用

2020-08-26李晋会

机电工程技术 2020年7期

李晋会

（山西煤炭运销集团掌石沟煤业有限公司，山西晋城 048400）

0 引言

受地质构造、煤层赋存以及掘进工艺等影响，巷道掘进期间煤壁片帮严重，导致巷道掘进后顶板空顶面积大，传统巷道掘进后顶板及时施工永久支护［1］，但是由于空顶处顶板面积大、顶板稳定性差，永久支护施工期间顶板破碎严重，甚至发生局部冒落现象，威胁着巷道支护施工安全。

某煤矿15102运输顺槽设计长度为1 538 m，巷道设计断面规格为4.6 m×4.0 m （宽×高），巷道掘进煤层为15#煤层，平均厚度为4.0 m，施工巷道采用综合机械化掘进施工工艺，掘进量为5.5 m/d，截止目前巷道已掘进540 m。根据煤矿地测科提供资料显示，15102 运输顺槽掘进期间在580 ～840 m范围内共计揭露12条正断层，断层平均落差为0.7 m，平均倾角为52°，受断层群影响，巷道掘进至590 m处时巷道应力破坏现象严重，巷道掘进后煤壁片帮严重。导致巷道空顶距加大，最大空顶距达2.4 m；而巷道掘进后进行工作面煤矸运输、永久支护施工需用时4 h，在此期间顶板受集中应力破坏作用，空顶顶板出现严重破碎现象，局部出现冒落现象，不仅加大了顶板永久支护施工难度，降低支护效果，而且很容易发生顶板垮落事故。本文针对这一技术难题，通过研究，设计了一套丝杠式超前支护装置。

1 传统临时支护形式及问题分析

1.1 传统临时支护形式

15102 运输顺槽前期掘进期间，对空顶顶板主要采用单体液压支柱配合“π”型梁进行进行临时支护；当工作面迎头空顶距达2.0 m后，及时支设单体柱，每排3 根，单体柱间排距为1.5 m。单体柱支设完成后，施工人员在单体柱掩护下进行顶板永久支护施工。

1.2 主要存在的问题

（1）劳动强度大、工序复杂。工作面支设单体柱完全靠人工搬运，工序复杂，造成工作面作业循环周期延迟，从而降低了巷道掘进速度；同时巷道顶板支护后，需人工回收单体柱，人工搬运单体柱，造成人工劳动作业强度，劳动成本费用高。

（2）支护效果差。由于单体柱配合顶梁进行顶板支护时，支护钢性大，当顶板来压显现时，“π”型顶梁对顶板切顶破坏严重，从而加剧了顶板破坏力度［2］，不仅对顶板支护效果差，而且增加了顶板永久支护难度。

（3）支柱损坏严重。由于15102 运输顺槽采用综合机械化掘进施工工艺，巷道内机械设备数量多，采用单体柱支护时支柱损坏严重，通过现场观察发现，巷道每掘进10 m需更换一根单体柱，加大了巷道掘进成本费用。

2 丝杠式超前支护装置结构及工作原理

2.1 丝杠式超前支护装置结构

（1）丝杠式超前支护装置主要由纵梁、吊环、丝杠等部分组成，如图1所示。在实际巷道掘进过程中，每组丝杠式超前支护装置由9个吊环、9个丝杠、3根纵梁组成。

（2）纵梁及横梁采用10#槽钢制成，梁宽度为0.1 m；其中纵梁长度为4.0 m，横梁根据巷道宽度进行设计，一般长度为3.0 ～5.0 m。

图1 掘进巷道丝杠式超前支护装置结构示意图

（3）吊环主要由宽度为0.10 m，厚度为0.02 m 钢板制成，吊环成“U”型状，吊环宽度为0.2 m，在吊环顶部焊制一个直径为φ80 mm圆孔，吊环两侧分别焊制一个直径为φ50 mm圆孔。

（4）丝杠主要由顶帽和丝杠柱两部分组成，顶帽主要由厚度为0.02 m钢板支撑，顶帽长度及宽度为0.1 m，丝杠柱直径为φ70 mm，长度为0.2 m，丝杠柱垂直焊接在顶帽下方。

2.2 装置工作原理

巷道掘进后在顶板永久支护施工前，将9 个吊环分别安装在工作面前3排锚杆外露端，每排安装3 个吊环，吊环间距为2.0 m；吊环安装后将3 根纵梁纵向插入到吊环内，并延伸至工作面迎头；3 根纵梁安装后，顺时针拧动丝杠，使顶帽缓慢上升，3根纵梁在丝杠带动作用下与顶板接触严实，从而实现了纵梁对工作面空顶超前支护的目的［3］。

2.3 装置优缺点

2.3.1 优点

（1）成本费用低。丝杠式超前支护装置结构相对简单，便于操作维护［4］，整套装置制造成本费用为0.12万元，成本费用低，装置在使用过程中故障率低。

（2）使用效果好。该装置投入使用后，有效解决了巷道掘进后顶板大面积空顶维护难度大、支护施工危险系数高等技术难题［5］，具有显著应用效果。

（3）实用性强。该装置不仅可用于煤矿井下采掘工作面，而且还可用于隧道、桥梁等领域中，实用性强，应用区域广。

2.3.2 缺点

（1）由于该装置在施工过程中依靠人工进行安装，装置自动化水平相对较低［6］；巷道每掘进3.0 m 后需前移一次，劳动强度大，对于大断面巷道中安装难度大［7］。

（2）在炮掘巷道中受爆破施工应用，装置纵梁变形严重，需定期进行更换，加大了装置维修费用［8］。

3 实际应用效果

15102 运输顺槽掘进至580 m 处对巷道安装一套丝杠式超前支护装置，截止2018 年3 月25 日巷道已掘进至850 m，且已完全过断层群影响破碎带，通过对该装置实际应用效果观察发现，施工巷道在过断层破碎带期间对巷道空顶处安装超前装置后，巷道暴露空顶顶板下沉、破碎现象得到有效控制，未出现顶板冒落等事故，保证了永久支护施工安全。