井婷婷

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

礦山局部小范圍冒頂事故引起巷道不完全堵塞及垮塌，現(xiàn)場(chǎng)救援人員需要使用支護(hù)裝備對(duì)破碎頂板及有垮塌危險(xiǎn)的頂板和巷壁進(jìn)行有效支護(hù)，以達(dá)到迅速搭建安全區(qū)域或救援通道的目的。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的支護(hù)裝備存在不具有煤礦安全資質(zhì)、體積大、操作復(fù)雜等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足煤礦井下救援的需要。本文針對(duì)煤礦救援，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備，不僅符合礦用安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、不產(chǎn)生撞擊或摩擦花火以及無(wú)引爆可燃?xì)怏w的風(fēng)險(xiǎn)，而且便于救援人員攜帶。

1 總體設(shè)計(jì)

礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備主要由液壓支柱、延長(zhǎng)柱、手動(dòng)支柱、支撐頭等部件構(gòu)成，該裝備利用手動(dòng)液壓泵提供支撐動(dòng)力源，可在任意傾斜角度下快速支護(hù)，在支撐高度為2 m的情況下(支撐力不小于100 kN)，可支撐60 m2安全區(qū)域或搭建30 m雙排支撐安全通道，便于救援人員和設(shè)備安全快速通過(guò)。該裝備通過(guò)各種可相互連接的輕質(zhì)部件以及不同的組合形式，滿(mǎn)足救援現(xiàn)場(chǎng)各種撐頂長(zhǎng)度及支撐方式的需要。根據(jù)冒頂引起垮塌程度的不同，可采用單根支撐系統(tǒng)或三腳架支撐系統(tǒng)組合的支護(hù)方式。

1.1 單根支撐系統(tǒng)

單根支撐系統(tǒng)是使用中最常用的支柱連接方式，主要由液壓支柱、手動(dòng)支柱、一根或多根延長(zhǎng)柱、各種支撐頭組成。各部分可單獨(dú)使用，也可組合使用，各部件端部具有可快速連接的快插接頭。單根支撐系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1-支撐頭；2-延長(zhǎng)柱；3-液壓支柱；4-手動(dòng)支柱；5-支撐頭圖1 單根支撐系統(tǒng)示意圖

1.2 三腳架支撐系統(tǒng)

三腳架支撐系統(tǒng)主要由三腳架支柱、三腳架架頭、旋轉(zhuǎn)支撐頭、固定鏈、起吊設(shè)備組成，主要是通過(guò)相關(guān)組件形成穩(wěn)定的三腳架結(jié)構(gòu)，下方配置起吊設(shè)備用來(lái)起吊重物，上方具有快速接頭，可通過(guò)連接支柱等設(shè)備形成穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)。三腳架支撐系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

1-旋轉(zhuǎn)支撐頭；2-三腳架支柱；3-三腳架；4-起吊設(shè)備；5-固定鏈圖2 三腳架支撐系統(tǒng)示意圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備采用了高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)和輕型塑料材質(zhì)，從而減輕重量，達(dá)到便攜的目的。其主要材料采用礦用抗沖擊火花的高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)2A12、6061和7A04等以及阻燃抗靜電等輕型塑料材質(zhì)PVC和PA66等，并進(jìn)行相應(yīng)阻燃抗靜電處理，其材料性能滿(mǎn)足《煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》(GB/T13813-2008)和《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用實(shí)驗(yàn)方法和判定規(guī)則》(MT 113-1995)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備主要技術(shù)參數(shù)

2 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 液壓支柱

(1)液壓支柱結(jié)構(gòu)。液壓支柱主要由高壓軟管、換向手柄、雙向液壓鎖、底部連接頭、油缸、活塞、頂端連接頭等部分組成，是支撐系統(tǒng)中的可調(diào)節(jié)部分。利用液壓作為動(dòng)力源，缸體和活塞組成液壓腔體，利用高壓液壓油實(shí)現(xiàn)活塞的伸出或縮回。支護(hù)裝備上下端部為快速連接頭，在救援現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況與相關(guān)設(shè)備組合使用，形成不同的支撐高度和支撐形式，通過(guò)高壓軟管、換向手柄和雙向液壓鎖實(shí)現(xiàn)液壓手動(dòng)泵(機(jī)動(dòng)泵)的快速連接。液壓支柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

液壓回路的自鎖和高壓回流保證了支護(hù)裝備在忽然泄壓和壓力超過(guò)額定工作壓力時(shí)的安全性和可靠性，其殼體材料采用重量輕、抗沖擊火花的高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)和阻燃抗靜電等輕型塑料材質(zhì)。

(2)液壓支柱液壓工作原理。液壓支柱液壓工作原理圖如圖4所示。

1-底部連接頭；2-缸體；3-活塞；4-頂端連接頭；5-雙向液壓鎖；6-換向手柄；7-高壓軟管圖3 液壓支柱結(jié)構(gòu)示意圖

1-溢流閥；2-液壓缸；3-液壓鎖；4-溢流閥； 5-三位四通閥；6-溢流閥；7-快換接頭；8-快換接頭圖4 液壓支柱液壓工作原理圖

由圖4可以看出，快換接頭7和快換接頭8分別與機(jī)動(dòng)泵或手動(dòng)泵的快換接頭相連，通過(guò)手柄讓三位四通閥5處于左位時(shí)，液壓鎖3左路單向閥打開(kāi)進(jìn)油，對(duì)液壓缸2進(jìn)行供油，同時(shí)控制油路打開(kāi)右路單向閥回油，當(dāng)進(jìn)油腔壓力超過(guò)額定工作壓力時(shí)，溢流閥1打開(kāi)，通過(guò)快換接頭7自動(dòng)回油；當(dāng)三位四通閥5處于右位時(shí)，對(duì)液壓缸2反向供油，其原理與左位供油相同。松開(kāi)手柄時(shí)，三位四通閥5自動(dòng)回到中位，進(jìn)油口P和出油口T導(dǎo)通，管路泄壓，液壓缸2在兩個(gè)單向閥的作用下左右油缸處于靜止?fàn)顟B(tài)，起到自鎖作用。當(dāng)回油管路堵塞時(shí)，溢流閥6開(kāi)啟，液壓油直接泄壓，防止損壞液壓支柱。

2.2 延長(zhǎng)柱

延長(zhǎng)柱是一種長(zhǎng)度固定不變的支撐桿，主要由兩端連接頭、柱體和固定銷(xiāo)組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐系統(tǒng)的快速延長(zhǎng)，每根延長(zhǎng)柱上都有反光彩色條，便于在黑暗中使用。常用的延長(zhǎng)柱長(zhǎng)度有250 mm和500 mm，延長(zhǎng)柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

1-連接頭；2-柱體；3-連接座；4-固定銷(xiāo)圖5 延長(zhǎng)柱結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 手動(dòng)支柱

手動(dòng)支柱兩端具有快速連接頭，主要通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋套調(diào)節(jié)內(nèi)柱的伸出長(zhǎng)度，達(dá)到改變整體長(zhǎng)度的功能。螺紋套和內(nèi)柱都為梯形螺紋配合，具有自鎖性能。手動(dòng)支柱結(jié)構(gòu)示意圖如6所示。

1-固定銷(xiāo)；2-連接座；3-外柱；4-螺紋套；5-內(nèi)柱；6-連接頭圖6 手動(dòng)支柱結(jié)構(gòu)示意圖

在支柱撐頂重物時(shí)，為了保證安全和支撐不松動(dòng)，要對(duì)支柱進(jìn)行鎖定。支柱的自鎖裝置由支柱內(nèi)柱、支柱外柱、鎖定套、鎖定柱和鎖球等組成。鎖定套設(shè)于支柱內(nèi)柱及支柱外柱外，并可軸向移動(dòng)及通過(guò)限位結(jié)構(gòu)固定，鎖定套設(shè)有環(huán)形鎖腔及連通內(nèi)柱和環(huán)形鎖腔的鎖孔，鎖定柱的一端與外柱連接，另一端伸入環(huán)形鎖腔，鎖定柱和內(nèi)柱的外側(cè)均設(shè)有環(huán)槽。鎖球設(shè)于鎖定柱環(huán)槽內(nèi)，并可通過(guò)鎖孔進(jìn)入內(nèi)柱環(huán)槽。自鎖狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

2.4 支撐頭

支護(hù)裝備里配備適用性強(qiáng)且種類(lèi)繁多的支撐頭來(lái)完善各類(lèi)支撐系統(tǒng)。平面支撐頭用于支撐平面表面；U型支撐頭帶固定孔，用于梁支撐；萬(wàn)向支撐頭帶固定孔，可旋轉(zhuǎn)，用于不平坦或傾斜的表面支撐；十字支撐頭用于多種表面；三腳架架頭用于組建三腳架；旋轉(zhuǎn)支撐頭可與底座固定帶形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，也可與手動(dòng)支柱、架頭等形成救援三腳架。

1-內(nèi)柱環(huán)槽；2-鎖球；3-鎖定柱；4-彈簧；5-外柱；6-鎖定柱環(huán)槽；7-環(huán)形鎖腔；8-內(nèi)柱圖7 自鎖狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

3 技術(shù)性能特點(diǎn)及應(yīng)用

2013年1月，中煤科工集團(tuán)重慶研究院對(duì)礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備進(jìn)行了立項(xiàng)，2014年12月，完成對(duì)了礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備的樣機(jī)制造并測(cè)試合格，該裝備所用輕合金及非金屬材料順利通過(guò)國(guó)家安全生產(chǎn)重慶礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心的安全與性能檢驗(yàn)。

礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備目前已在淮南礦業(yè)集團(tuán)礦山救護(hù)隊(duì)、華能白山煤矸石有限公司礦山救護(hù)隊(duì)和國(guó)投煤炭有限公司礦山救護(hù)隊(duì)等多家救援隊(duì)中配備應(yīng)用，成功處理多起局部冒頂事故，實(shí)現(xiàn)了快速搭建救援通道。礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備與傳統(tǒng)支護(hù)裝備相比主要有以下特點(diǎn)：

(1)采用礦用抗沖擊火花、阻燃抗靜電等高強(qiáng)度輕型材料，具有安全、輕便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，便于救援人員井下攜帶救援。

(2)該裝備采用的液壓系統(tǒng)具有初撐力大、支護(hù)速度快以及安全穩(wěn)定的特點(diǎn)，每根支柱上配備安全鎖緊裝置，以保證支撐安全。

(3)該裝備可支撐高度范圍為0.5～4 m，采用多功能萬(wàn)向端頭，不僅可以在任意傾斜角度、橫向或縱向進(jìn)行快速支護(hù)，也可以對(duì)狹小空間等復(fù)雜條件進(jìn)行特殊支護(hù)，配備短型、中型、長(zhǎng)型等各種規(guī)格延長(zhǎng)桿，可通過(guò)加裝不同的延長(zhǎng)桿來(lái)增加支撐高度。

4 結(jié)語(yǔ)

礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備具有抗沖擊火花、阻燃抗靜電、安全自鎖、支護(hù)高度范圍可調(diào)并且便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，該新型裝備能夠適應(yīng)煤礦井下特殊、復(fù)雜救援環(huán)境的安全要求，大大提高了處理局部冒頂事故的救援效率。隨著國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)應(yīng)急救援隊(duì)伍的救援裝備投入力度的加大，礦用救援輕型快速成套支護(hù)裝備將作為救護(hù)隊(duì)員的有力武器，得以廣泛推廣應(yīng)用。