李 一

（平煤股份十二礦，河南 平頂山 467000）

1 概述

巷道支護歷來是地下工程施工中技術難度最大、可靠性要求最高、施工工藝最復雜的工程。 推廣煤巷錨桿支護是我國煤炭工業(yè)繼綜采后的第二次支護技術革命，已列為煤炭工業(yè)科技攻關的重點。 過去我國機掘巷道相配套支護方式， 主要是采用U 型鋼或礦用工字鋼金屬棚支護。與此相比，采用錨桿支護具有更強的優(yōu)勢[1]。加強錨網支護安全生產勢在必行， 是煤炭行業(yè)發(fā)展錨桿支護技術的必然趨勢，對煤炭行業(yè)科技進步有著重要意義。

綜合型臨時支護的技術價值在于合理地找到掘進機與臨時支護的結合點，合理配置臨時支護的動作功能，有效改善頂板應力狀態(tài)[2]。 由于掘進機是定型的產品，所以必須最大程度減少對其結構上的改動。 此外，臨時支護還要保證適用于各種機型掘進機的安裝改造， 這是本機設計中應充分考慮的問題。

2 井下巷道臨時支護的現(xiàn)狀

目前機掘巷道掘錨工藝普遍采用掘進機截割與風動錨桿鉆機鉆裝錨桿相配套的方式，掘進機進行切割工作，完成后對空頂區(qū)進行臨時支護，再進行錨網支護。 為了對頂板起到支護作用，防止頂板冒頂造成人身傷害事故，之前我礦煤礦巷道掘進時，采用將多條前探梁（鋼管或工子鋼）沿巷道方向懸掛在頂板上探至空頂區(qū)的方式，但是這種支護方式有很多缺點。

多年來，我礦一直在新型臨時支護這方面進行研究，有了很大進展，在實際應用中取得了很多經驗，但在某種程度上還存在可操作性差、干涉現(xiàn)象嚴重、對巷道頂板要求高、適用范圍窄等問題。

3 設計目標及其實現(xiàn)的主要內容

3.1 設計目標

多進尺和高可靠性是我們的共同心愿。 新型臨時支護實現(xiàn)巷道掘進支護機械化連續(xù)性工作， 可從根本上解決井下掘進效率低、 勞動強度大、 生產安全性低三大難題。 結構合理、動作可靠、操作簡單、使用維護方便是設計的基本目標。

綜合考慮我礦巷道條件的實際情況， 該機的設計參數(shù)為： ①平均無大故障（不升井維修） 時間不小于3000 h；②錨高適用范圍2.6～5.0m，巷道寬度3.5～5.0m；③超出截割頭距離1.6m 加前伸3m；④支護范圍2（長）x2（寬）展開3.4m×3.4m； ⑤折疊后最小高度100mm； ⑥頂板傾斜20°，大坡度45°；⑦展開時間70s；⑧臨時支護與掘進機共用一泵站，無需另加動力裝置；⑨臨時支護不超出掘進機的有效外限尺寸；⑩模塊化設計，方便運輸和井下安裝；1○整機重量0.96t。

3.2 實現(xiàn)的主要內容

新型臨時支護裝置主要實現(xiàn)以下功能：

3.2.1 新型臨時支護裝置可以實現(xiàn)與各種型式的掘進機通過截割部進行連接， 使以往人工支護操作變?yōu)闄C械化控制操作， 讓礦工從艱苦危險的工作環(huán)境中解脫出來，可極大地提高井下生產操作的安全性。

3.2.2 新型臨時支護操作上與掘進機互鎖： 掘進機工作時， 在不影響掘進機正常工作情況下臨時支護收縮折疊到最小程度。 而臨時支護工作時，掘進機處于閉鎖狀態(tài)，不能進行操作，確保整機的操作安全性。

3.2.3 新型臨時支護具有前后伸縮折疊、 高低調整功能，通過這些功能可以完成巷道頂板的臨時支護工作。

機載臨時支護具有如下優(yōu)點： ①為使頂板處于安全支護狀態(tài)，采用油缸對頂板施加一定的初撐力。 ②為了有效地對空頂區(qū)進行支護，采用整體掩護梁設計，增大支護面積。 ③采用綜掘機液壓系統(tǒng)控制，掘進結束后即可對空頂區(qū)進行有效支護，速度快，操作簡單可靠。 ④為了縮短了支護時間，提高開機率及巷道開拓進尺，支護系統(tǒng)需要安裝在綜掘機頂部，并隨綜掘機一起推進。 ⑤空頂區(qū)支護時，為確保安全，工作人員需要在安全區(qū)操作。 ⑥操作簡單，提高了工作效率，減輕了勞動人員的勞動強度。

4 產品研發(fā)設計與制造

我礦2012年確立新型臨時支護研發(fā)項目，開始對井下地質條件及國外產品的工作現(xiàn)場進行調研， 初步確立了總體結構設計方案，然后多次與山東兗煤精益交流，方案不斷得到完善。 在產品的研發(fā)過程中，項目組人員深入煤礦井下跟班實習考察， 對頂板臨時支護操作規(guī)程有了全面的了解。 在具體設計中，使用三維運動仿真分析檢驗各部件的碰撞和干涉，利用ANSYS 有限元分析軟件校核產品重要部件疲勞負荷壽命及強度， 最大限度地提高關鍵部位的可靠性。 2012年3月進入工作圖紙及工藝設計階段，至2012年5月中旬完成全部技術資料設計編制工作。

4.1 總體方案設計

對于總體設計原則要求如下： ①在不干擾掘進機截割、裝載作業(yè)及司機的操作視線的情況下，采用與掘進機兩機疊加的配套方式，全液壓控制，掘護交叉作業(yè)。 掘進作業(yè)時需要將臨時支護折疊收縮至掘進機截割蓋板上面， 進而最大程度縮小外限尺寸。 ②支護采用面接觸方式， 以油缸提供支撐力。 ③頂板支護時必須適應傾斜巷道。④必須考慮護網與鋼帶的托舉固定方式。⑤結構件要有足夠的強度、剛度和使用壽命。 ⑥與各種型號掘進機配套，要求對掘進機的改動盡可能少，配套方便，不得損害掘進機的工作部件，降低其使用壽命。 ⑦要求支護系統(tǒng)機械化程度高，操作方便，支護快捷，安全可靠，便于井下安裝使用。

4.2 主要研究內容

4.2.1 新型臨時支護與掘進機合理配置

新型臨時支護裝置與掘進機配置方式是把主要的折疊機構設置在掘進機叉升架兩側， 上部只有折疊框架和頂梁板匍匐于叉升架上部。 主折疊油缸尾部鉸耳與掘進機叉升架鉸軸同軸固定， 主折疊架鉸耳座與叉升架固連接。 其液壓系統(tǒng)的雙向液壓鎖、安全閥附裝在各自油缸體外，液壓膠管集束理順連接到司機臺前的操縱閥組，液壓源來自掘進機[3]。 收攏后不影響司機掘進作業(yè)。

4.2.2 機構的研究和設計

在既有足夠強度、 剛度又滿足低高度大傾角頂板巷道要求的條件下，順暢地完成翻展支護動作，我們需要在基本平面連桿機構的基礎上，反復研究，篩選出最優(yōu)的機構組合方案。

4.2.3 液壓系統(tǒng)的研究和設計

液壓系統(tǒng)按完成動作需要設計，力求簡單，更注重安全可靠，各元件附裝在各自油缸外，免除了集中閥組。

4.2.4 關鍵部件可靠性設計與分析

應用ANSYS 等有限元分析軟件對產品進行CAE 計算機輔助分析，對產品的關鍵零部件進行強度校核、疲勞分析、結構優(yōu)化設計。 應用設計失效模式和效果分析來最大限度地提高關鍵部位的可靠性， 以降低運轉時失效的風險，以科學的手段從設計階段保證產品的可靠性。

4.2.5 易干涉部位的分析與設計

充分利用三維設計軟件進行三維造型， 在計算機上進行虛擬裝配，三維動畫仿真模擬巷道支護動作，找出容易發(fā)生碰撞和干涉的部位，并對其進行驗證。

4.2.6 工藝流程、 勞動組織及支護的安全可靠性分析研究

結合礦上現(xiàn)有支護工藝流程、勞動組織及支護方式，在掘進機配置新型臨時支護機后，對有關工藝流程、勞動組織等重新研究，使其更具合理性和安全性。

臨時支護和掘進機在結構上具有獨立性與通用性，它可以與EBZ120、EBZ150、EBZ160、EBZ200 掘進機通用裝配。 結構的獨立性也使設備的使用維護極其方便，為現(xiàn)場掘進機設備性能的提升創(chuàng)造了必要的條件。

5 主要創(chuàng)新點

5.1 新型臨時支護裝置的總體結構布局合理， 由結構件、油缸、安全閥、操縱閥、管路等組成完整系統(tǒng)；結構緊湊、外限尺寸小、操作維護簡單、可靠性高；節(jié)省成本，減小空間；采用機械化操作，實現(xiàn)主動支撐，能夠實現(xiàn)快速掘進。

5.2 能夠使支撐部件探出掘進機切割頭1.6 米以上，采用高強度鋼焊接結構，保證了支撐的可靠性。

5.3 臨時支護結構簡單，體積小，動作靈活，適應性強；利用截割部側部銷軸定位支撐，使臨時支護與掘進機形成一體化結構，適用于各種機型掘進機的安裝改造。

5.4 特有的液壓轉換閥裝置， 實現(xiàn)掘進與支護工作狀態(tài)的轉換和互鎖。 臨時支護工作狀態(tài)時，掘進機操作臺所有液壓操作手柄和電氣按鈕全部閉鎖，操作失效，保障臨時支護工作時的人身安全。

6 社會經濟意義與推廣價值

目前還有部分煤礦巷道臨時支護完全由人工勞動來完成，人工支護輔助勞動時間長、效率低、勞動強度大、危險性高。

新型臨時支護方式， 實現(xiàn)了巷道掘進支護機械化連續(xù)性工作，減輕了作業(yè)人員的勞動強度，縮短了輔助勞動時間，提高了勞動效率，特別是確保了生產安全。

新型臨時支護是高附加值產品，其社會效益顯著。 一方面該機的成功應用，改變了傳統(tǒng)的人工支護方式，實現(xiàn)了安全高效掘進、支護連續(xù)性工作；另一方面該機代表了我國目前綜掘機械化技術水平， 填補了國內掘護一體化的空白，提高了國產煤機產品的技術水平，為煤炭安全生產信息化建設開辟了一條新路。

［1］田勇.機載式臨時護頂機的研制與應用［J］.中州煤炭，2009（1）：9-11.

［2］劉建華.綜掘機載式臨時支護裝置的研究與應用［J］.機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2014（4）：87-90.

［3］劉俊峰，劉斌.綜掘機載式液壓臨時支護機的研制與應用［J］.煤礦開采，2010（1）：17-21.