張 文 王續(xù)明

(華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601)

掘進(jìn)工作面臨時(shí)液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①

張 文②王續(xù)明

(華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601)

煤礦機(jī)械化掘進(jìn)工作面的超前支護(hù)，一直制約著掘進(jìn)工作面的安全和效率。本文在總結(jié)多種超前臨時(shí)支架特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的、具有很強(qiáng)適應(yīng)能力的掘進(jìn)工作面蠕動(dòng)式超前臨時(shí)液壓支架的技術(shù)方案。這種蠕動(dòng)式支架由程序閥控制，可隨掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)而不斷前移。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)，既提高效率，又保證安全。

臨時(shí)液壓支架;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);高效率

1 掘進(jìn)工作面支護(hù)的現(xiàn)狀和問題

1.1 現(xiàn)狀

煤巷掘進(jìn)工作面有炮掘工作面和掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的工作面之分，本文研究的工作面主要是掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的工作面，工作面的破煤、落煤和運(yùn)煤全部是機(jī)械化，但工作面的端頭支護(hù)工作，如臨時(shí)超前支護(hù)，架棚子或打錨桿永久支護(hù)仍需手工作業(yè)。存在的問題是手工作業(yè)進(jìn)行超前支護(hù)的安全較差，而且效率低下［1］。所謂機(jī)械化掘進(jìn)工作面，實(shí)際是指巷道掘進(jìn)過程中最主要的工序:破煤、落煤和運(yùn)煤由機(jī)械完成，最重要的工序——頂板支護(hù)仍然由手工完成，這樣的工作面本質(zhì)上是機(jī)械和手工交替作業(yè)的半機(jī)械化工作面。據(jù)我們調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一般機(jī)械化掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)機(jī)有效開機(jī)率在25%左右，也就是說，在10個(gè)小時(shí)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)割煤掘進(jìn)時(shí)間不超過3小時(shí)，其余的7個(gè)多小時(shí)都用在架設(shè)臨時(shí)支護(hù)和永久性支護(hù)的工作上。由此可見，機(jī)械化掘進(jìn)工作面的主要設(shè)備，大部分時(shí)間是閑著的，利用率很低。

為了解決機(jī)械化掘進(jìn)工作面的安全和效率問題，多年來世界各主要采掘設(shè)備制造商，設(shè)計(jì)和試用了各種形式的掘進(jìn)工作面支架，主要有:

1)獨(dú)立型掘進(jìn)工作面臨時(shí)支架，是一種專門的用于機(jī)械化掘進(jìn)工作面的液壓支架，目的是根本解決掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)與超前支護(hù)平行作業(yè)的問題［2］。如山西煤科院研制的HQZ900-3.1125型巷道超前支架就屬于此種類型。其主要結(jié)構(gòu)是剛性棚梁和液壓棚腿組成的棚子組，組內(nèi)的各架棚子是互為剛性依托，移動(dòng)機(jī)構(gòu)在下部，液壓能驅(qū)動(dòng)，手動(dòng)閥控制。主要問題是:組內(nèi)各架棚子之間是剛性依托，適應(yīng)巷道起伏和高低變化的能力不夠;這種超前支架的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在下部，底板起伏不平和浮煤浮矸都會(huì)阻礙支架的移動(dòng)。所以該支架試用不久后升井，沒能推廣開來。

2)一體型掘進(jìn)工作面臨時(shí)支架，是一種工作面超前支架、錨桿作業(yè)機(jī)具與掘進(jìn)機(jī)合為一體的掘進(jìn)機(jī)，在掘進(jìn)機(jī)的前部帶有伸縮臂，在需要支護(hù)時(shí)，伸縮臂可以把鉆機(jī)和支護(hù)材料或棚梁托到頂板上，大大的提高了架設(shè)永久支護(hù)的效率［3］。如奧地利的ABM30掘進(jìn)機(jī)組，英國的KBⅡ掘錨機(jī)組就屬于這一類型。主要問題是:掘進(jìn)與架設(shè)永久支護(hù)仍然是交替進(jìn)行，不能完全實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，掘進(jìn)機(jī)的開機(jī)率提高不大;掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障較多，反而影響了掘進(jìn)。

3)簡(jiǎn)易型掘進(jìn)工作面臨時(shí)支架，是一種實(shí)際應(yīng)用較廣的超前支架，主要是以已有巷道頂板的錨桿端部螺紋或棚梁為支撐，向前伸出長梁作為空頂處的臨時(shí)支護(hù)，然后可在其保護(hù)下進(jìn)行永久支護(hù)的作業(yè)。

1.2 問題

以上三種類型的支架各有特點(diǎn)，第一種獨(dú)立型掘進(jìn)工作面臨時(shí)支架，設(shè)想很好，掘進(jìn)與支護(hù)可平行作業(yè)，掘進(jìn)效率極大的提高，但架型結(jié)構(gòu)不適應(yīng)礦井的實(shí)際工作條件，沒能成功。第二種一體型掘進(jìn)工作面臨時(shí)支架，是一個(gè)折中的辦法，既然不能實(shí)現(xiàn)完全的平行作業(yè)，就想辦法提高手工支護(hù)作業(yè)的效率，縮短支護(hù)作業(yè)時(shí)間，雖然掘進(jìn)與支護(hù)仍然是交替進(jìn)行，但掘進(jìn)機(jī)開機(jī)率已有明顯提高。第三種簡(jiǎn)易型掘進(jìn)工作面臨時(shí)支架，簡(jiǎn)便易行，但效率低下，安全不易保證。

1.3 本文工作

本文的技術(shù)方案屬于獨(dú)立型，全稱為掘進(jìn)工作面蠕動(dòng)式臨時(shí)液壓支架，目的是研制一種具有柔性結(jié)構(gòu)、蠕動(dòng)式前移、完全覆蓋掘進(jìn)機(jī)工作范圍，并有足夠支撐力、操作靈活、能實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)的掘進(jìn)工作面液壓支架。

2 蠕動(dòng)式臨時(shí)液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 組成結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)工作面蠕動(dòng)式臨時(shí)液壓支架采用若干架以雙作用千斤頂為棚腿的鋼制棚子，用柔性索具從棚梁中穿過，索具的兩端分別固定在支架的兩個(gè)端頭棚梁上，以此作為中間架移動(dòng)時(shí)的軌道。在支架兩個(gè)端頭的第二架棚梁下部都裝有導(dǎo)向套，在兩個(gè)端頭的第一架棚梁下都裝有導(dǎo)向梁，并插入相鄰架的導(dǎo)向套中，作為端頭棚子移動(dòng)時(shí)的軌道，各棚梁間裝有推移千斤頂。整個(gè)支架由8～10架的棚子組成，總長可在7～10m之間，完全覆蓋一般掘進(jìn)機(jī)的長度，支架由液壓能驅(qū)動(dòng)，程序閥控制，可隨掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)而不停蠕動(dòng)前移。這樣就可以把掘進(jìn)工作面的支護(hù)作業(yè)如打錨桿、或架棚子由掘進(jìn)機(jī)前移到掘進(jìn)機(jī)后，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)空間與支護(hù)空間的分離，掘進(jìn)與支護(hù)就能平行作業(yè)，既提高效率，又可保證安全。

2.2 工作原理

下面結(jié)合圖1，對(duì)蠕動(dòng)式支架的具體結(jié)構(gòu)和工作原理作一說明。該支架包括:千斤頂棚腿1、端頭棚子導(dǎo)向梁3、導(dǎo)向套4、架間推移千斤頂5、鋼制棚梁6、作為柔性軌道的索具7、掘進(jìn)機(jī)2。其中棚腿1和棚梁6鉸接，鋼制棚梁6和架間推移千斤頂5也是鉸接，首末端兩架棚子與其相鄰的棚子之間通過端頭棚子導(dǎo)向梁3和導(dǎo)向套4連接，導(dǎo)向梁可以在導(dǎo)向套中滑動(dòng)，棚組移動(dòng)完一個(gè)步距正常工作時(shí)，軌道的索具有一定馳度，以便第一架的前移。

當(dāng)掘進(jìn)工作開始，需要支架前移時(shí)，由前向后逐架進(jìn)行。首先，操作控制閥，第一架的棚腿1收起，則其棚梁6離開頂板，重量通過導(dǎo)向梁3由導(dǎo)向套4支撐。架間推移千斤頂5推動(dòng)第一架棚子在導(dǎo)向梁3的支撐下，順著導(dǎo)向套4向前移動(dòng)，到位后，索具7張緊拉直，第一架棚腿伸出，使該架棚梁6接觸頂板并進(jìn)入正常支撐狀態(tài)。接著是第二架棚子的移動(dòng)，該架的棚腿1收起，棚梁6離開頂板，其重量由導(dǎo)向梁3和索具7共同支撐，該梁的前后推移千斤頂5，一個(gè)縮回，同時(shí)一個(gè)伸出，則第二架棚子順著導(dǎo)向梁3和索具7開始移動(dòng)，到位后，其棚腿1伸出，棚梁6接觸頂板，并進(jìn)入支撐狀態(tài)。以后中間各架的移動(dòng)與第二架相同，只是支撐和導(dǎo)向完全由張緊的索具7承擔(dān)。末端兩架棚子的移動(dòng)方式與前端的兩架相同。全部棚子都移動(dòng)完一次后，整個(gè)支架完成一個(gè)步距的移動(dòng)，重復(fù)上述操作，就可進(jìn)行第二步、第三步等等的移動(dòng)。

圖1 蠕動(dòng)式液壓支架示意圖

2.3 蠕動(dòng)式臨時(shí)液壓支架的主要特點(diǎn)

由以上技術(shù)方案的介紹，可以從其結(jié)構(gòu)和工作原理總結(jié)出掘進(jìn)工作面蠕動(dòng)式臨時(shí)液壓支架有三大特點(diǎn)。

1)對(duì)頂?shù)装宓倪m應(yīng)能力強(qiáng)。首先，整個(gè)支架實(shí)際上是一組主要用柔性索具聯(lián)系起來的棚子，棚子之間通過鉸接的千斤頂進(jìn)行推移，也就是說支架在上下兩個(gè)方向可以有很大的活動(dòng)余地，能夠適應(yīng)頂板一定高度的起伏;其次，整個(gè)支架的推移機(jī)構(gòu)、操作閥、液壓膠管都在棚梁上，支架下部與底板接觸的只有可提起伸縮的棚腿，它的移動(dòng)方式類似于邁步，所以，巷道底板的浮煤浮矸對(duì)支架的移動(dòng)都沒有什么影響;再次，整個(gè)支架在左右兩個(gè)方向也有一定活動(dòng)余地，只要控制了支架端頭棚子導(dǎo)向梁的左右擺動(dòng)角度，支架也可以向左或向右有一定的移動(dòng)，以達(dá)到調(diào)整支架前進(jìn)方向的目的。

2)獨(dú)立工作不受干擾。整個(gè)支架是一套獨(dú)立的結(jié)構(gòu)和獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)，不受掘進(jìn)機(jī)的任何干擾，掘進(jìn)機(jī)不停的掘進(jìn)，支架連續(xù)的跟著移動(dòng)，架設(shè)永久支護(hù)的作業(yè)在掘進(jìn)機(jī)后可以同時(shí)的進(jìn)行，互不影響。

3)支護(hù)強(qiáng)度和頂板覆蓋率加大。蠕動(dòng)式支架的棚腿采用類似單體支柱的千斤頂，每根棚腿的工作阻力都在20t左右，而且還可以根據(jù)需要繼續(xù)增大，所以，整個(gè)支架支護(hù)強(qiáng)度是完全可以滿足需要的，頂板的覆蓋率也可適當(dāng)通過改變棚間距進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)論

整個(gè)支架采用柔性結(jié)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)上置和蠕動(dòng)移動(dòng)方式的特點(diǎn)，比較適應(yīng)煤礦機(jī)械化掘進(jìn)的巷道應(yīng)用。采用這種獨(dú)立支架，使掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、支護(hù)設(shè)備簡(jiǎn)化、架設(shè)永久支護(hù)作業(yè)的工作也有一定的簡(jiǎn)化，故而故障少;可大大提高支護(hù)強(qiáng)度和速度，防止工人空頂作業(yè)，同時(shí)還能提高巷道空間的利用率，實(shí)現(xiàn)與掘進(jìn)機(jī)等其他設(shè)備的并行作業(yè)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 李志強(qiáng).掘進(jìn)工作面臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1997，25(09):41-44

［2］ 王加升，蘇紅偉.錨網(wǎng)巷道前探支護(hù)方法［J］.西部探礦工程，2004，8(11):35

［3］ 王永國，劉鵬飛.南山礦煤巷錨網(wǎng)支護(hù)的發(fā)展［J］.煤炭技術(shù)，2003，22(08):57-58

［4］ 成家鈺.煤礦作業(yè)規(guī)程編制指南［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005

A structure design for temporary hydraulic support of tunnelling working surface

ZHANG Wen，WANG Xuming

(North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

It has been restricted the safety and efficiency of tunnelling working surface that the preceding support of tunnelling working surface in mechanized mine.Based on the summary of kinds of preceding support，this paper put forward a kind of technique plan of leading temporary creeping hydraulic support，it is whole new and has strong adaptability.This creeping hydraulic support is controlled by sequence valve.It can keep moving ahead along with mining roadheader driving.So this can realize parallel working between driving and support，both enhancing efficiency greatly and making sure safety.

temporary hydraulic support;structure design;high efficiency

TD355+.4

A

1672-7169(2012)01-0018-03

2011-11-30

張文(1958-)男，山西大同人，碩士，華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院高級(jí)工程師，研究方向:煤礦機(jī)械的效率和制造方法。