拱形巷道滑移式临时支护装置研究与应用

仲照海,朱良嘉,严 驰

(1.陕西双龙煤业开发有限责任公司,陕西 延安 727306;2.陕西陕煤黄陵矿业有限公司,陕西 延安 727306)

0 引言

中国是煤炭资源储量比较丰富的国家之一,随着国家工业水平的快速发展,对煤炭的需求量不断增加,煤炭开采面临越来越大的压力,提高煤矿采掘效率迫在眉睫。近年来,综采设备不断更新、智能化技术得到应用,采煤速度越来越快,但掘进速度却没有明显提高,采、掘失衡已成为制约煤矿高产高效的主要因素。据不完全统计,掘进效率低的主要矛盾在于掘、锚不平衡,巷道正常掘进期间,掘进时间占17%～34%,锚护时间占50%～67%,其中超前段临时支护时间占锚护时间40%～54%,拱形巷道超前段支护时间更长。现有超前段临时支护装置拆卸、安装频繁,浪费一定的人力、财力,现场存在一定安全隐患,大大降低掘进安全效率[1]。因此,研发拱形巷道掘进工作面超前段临时支护装备,提高临时支护效率,是解决问题的关键。

1 拱形巷道超前支护现状

随着煤矿产业技术的高速发展,煤矿成套装备机械化、自动化、信息化、智能化水平越来越高,先进设备应用越来越广泛[2]。越来越多的设备设施被研发并应用,为矿井安全高效生产提供可靠保证。尤其一些超前支护装置的应用,为矿井安全管理减轻负担,综采工作面两顺槽使用超前支护装置,替代以前单体支柱支护方式,减少劳动强度,增加支护效率[3]。矩形掘进巷道采用迈步式超前支护方式,为职工创造良好的作业条件。但拱形巷道超前支护方式在最近几年没有突破,多数矿井仍使用前探梁或机载式临时支护装置,影响掘进安全效率[4]。

前探梁临时支护装置主要由钢管、吊环和木楔组成。钢管采用3根长度4 000～5 000 mm、规格为φ78 mm×6 mm,吊环固定在锚杆上,随着工作面掘进前移钢管,达到临时支护的要求。前探梁临时支护装置技术落后,存在主要弊端,一是对空顶区没有初撑力,安全性、可靠性较差;二是操作复杂,依靠手工作业,支护时间长,作业效率低;三是操作人员多,且人员需进入空顶区作业,存在极大安全隐患[5]。

机载式临时支护装置根据掘进机性能和巷道支护工艺的特点,主要分为后置滑移式、截割部两侧侧置式和截割部顶置式。后置滑移式是在掘进工作完成后,掘进机退至支护区域,临时支护装置从后部开至前部,压紧巷道顶板,人工进入进行支护;其缺点为结构复杂,所需空间较大,无法与机载锚杆机协同作业[6]。截割部两侧侧置式临时支护装置,即将临时支护分为2部分,铰接在截割部两侧,待需要支护时两侧支护装置伸出,在顶板处结合,过程通过油缸控制达到支护要求。其缺点是影响操作司机视线,所需空间大。截割部顶置式是将临时支护装置安装在截割部顶部,掘进工作完成后,后退至支护区域,支撑梁和掩护梁在油缸作用下升起,实现对顶板的支护。其缺点是临时支护时截割头不能落地,存在一定安全风险。

2 拱形滑移式临时支护装置的原理及应用

现代支护原理的一个基本观点是充分利用和发挥岩层的自承能力,一方面不能让围岩进入松动状态,以保持围岩的自承能力;另一方面允许围岩进入一定程度的塑性,使围岩的自承能力得以最大程度发挥[7]。

2.1 拱形滑移式临时支护装置的结构原理

根据岩层的不同属性和不同地压来源,从分析地压活动基本规律入手,运用信息化设计方法,使支护体系和施工工艺过程不断适用于围岩变形的活动状态,以达到控制围岩变形,维护巷道稳定的目的[8]。采用该支护原理,主要考虑以下2个方面:一是巷道断面形状要适应地应力分布的特点,一般应使巷道周边圆滑,以防止应力集中的现象。二是支架结构的参数要和围岩变形状态相匹配,以便发挥其最佳支护效果。拱的重要特点是其在竖向荷载作用下能产生水平反力,由于这种反力的存在,拱的弯矩常比跨度、荷载相同的梁的弯矩小得多,并主要是承受压力。这使得拱截面上的应力分布较为均匀,因而更能发挥材料的作用。

拱形滑移式临时支护装置是一种应用于拱形或半圆拱形巷道掘进交错式支护装置[9]。主要由液压立柱、横梁及顺梁组成。液压立柱共8根,每2根一组,起到支撑作用,实现设备升降。立柱与横梁铰接,共4根横梁,分为主、辅横梁,与巷道弧度相同,作为顺梁的着力点和滑道。顺梁与横梁交错布置,共8根,分为主、辅顺梁,实现巷道接顶支护。临时支护装置采用分组框架构成的交错式支护结构,分为主架和辅架,主架是由主前、后横梁及与相互铰接的主前、后顺梁连接在一起组成的框架,辅架是由辅前、后横梁及与相互铰接的辅前、后顺梁连接在一起组成的框架;主梁架的主前顺梁前端与进行铺网工作的前梁组件铰接,并利用铰接在主前顺梁与前梁组件之间的前梁液压缸驱动前梁组件绕主前顺梁前端的铰接轴的轴线转动。其结构设计合理,支护和移动稳定,在拱形巷道掘进过程中互为支撑,通过移架液压缸相互推拉行走,并保证在主、辅梁架的移动过程中有一组框架始终处于接顶状态,实现连续的对顶板的支撑支护;显著提高拱形巷道顶板的支护质量,消除了传统掘进工作面工人直接在暴露的顶板下高危作业的风险。

2.2 拱形滑移式临时支护装置的工作原理

拱形滑移式临时支护装置结构简单,根据巷道尺寸定制设计。如该巷道4.8 m×4.15 m(宽×高),拱基线高1.7 m,配套EBZ200-M2型掘锚机。锚杆18根,间距800 mm;锚索4根,间距1 600 mm。如图1所示。

图1 拱形滑移式临时支护装置配套尺寸及支护

拱形滑移式临时支护装置立柱共分4组,统一横梁的左右2根立柱为1组,从迎头向后依次为第1组(辅立柱)—第2组(主立柱)—第3组(辅立柱)—第4组(主立柱)。作业工序为:①收前梁向下旋转至最低位置,钢网固定在前梁上,向上旋转至接顶;②按照要求掘进1.7 m;③抬立柱,将第1组、第3组立柱(辅立柱)收起至地面400 mm;④左右推移千斤顶伸出,伸出行程1 000 mm,左右动作必须一致;⑤降立柱,第1组、第2组立柱伸至底板;⑥抬立柱,将第2组、第4组(主立柱)收起至地面400 mm;⑦左右推移千斤顶收缩,收缩行程1 000 mm,左右动作必须一致;⑧降立柱,第2组、第4组(主立柱)立柱伸至底板,支护到位;⑨掘锚机开始掘进,每掘进10 m,开始支护作业。如图2所示。

图2 拱形滑移式临时支护装置结构原理

拱形滑移式临时支护装置采用电液控形式,进一步保证千斤顶动作一致性,提升装置稳定性;采用远程遥控器控制,无线传输,最远控制距离30 m[10]。

2.3 拱形滑移式临时支护装置的应用效果

拱形巷道临时支护装置与现有掘进机上携带的临时支护装置不同,该种支架与掘进机不相连,单独于掘进机外面,随着掘进机向前掘进,采用机载锚护结构,及时地支护暴露出的顶板[11]。支架具有自移行走功能,操作人员在掘进机后面、支架之下进行打锚杆或架棚等永久支护的优势。如果顶板条件不好,不允许暴露时间过长,则可以掘进2～5 m,掘进机停下打锚杆做永久支护,变“掘进—支护—掘进”的小循环为“掘进—掘进—支护—掘进—掘进”的大循环,亦能提高掘进效率。

2.4 拱形超前支护装置的完成目标

支护面积增大、强度提升:通过对掘进临时支护装置结构的合理研制,替代前探梁、机载临时支护装置,支护装置横梁、顺梁数量多,布局合理,其中横梁依据巷道弧线设计,形成较密集的支护网,接顶支护牢靠,工作阻力大,实现巷道全断面承压支护,对掘进巷道顶板实现对连续支护下的自移,为巷道掘进与支护提供安全、便利的作业环境。

优化掘进作业循环、掘进效率提升:解决传统临时支护制约综掘掘进速度问题,优化回采巷道掘进工艺,一次最长支护距离11 m,减少了前探梁前移次数,缩短了前探梁安装、前移时间,实现掘进工作面由掘进向永久支护的机械化过渡,有效降低人工铺网及永久支护的劳动强度,显著提高掘进机开机率和掘进效率[12]。

安全效益提高:解决巷道掘进过程中传统临时支护安全可靠性差、操作过程中作业人员必须进入空顶区存在安全隐患等问题,有效控制顶板在支护和移动过程中对岩层的破坏,维持顶板完整,实现永久支护的效果;滑移式临时支护装置全长11 m,掘进机司机始终在临时支护装置下工作,前探梁支护长度3.2 m,为锚杆作业人员提供充足作业空间,实现掘进工作面临时支护全覆盖、无间隔的目的。

3 结论

拱形滑移式临时支护装置的应用,替代前探梁临时支护和机载临时支护形式,优化了作业工序,减少工作面作业人员数量;与掘锚机配套使用,提高锚杆支护速度,完全杜绝空顶作业,增加作业空间,提升人员作业环境安全等级;设备操作简单,可远程遥控控制,提高工作面智能化程度,单月掘进效率提高46%,实现拱形巷道快速掘进的目的,缓解矿井采掘接续紧张的被动局面。