張興華

（同煤集團(tuán)四臺礦技術(shù)中心，山西 大同 037000）

引言

為了保證采煤作業(yè)的安全可靠，在對巷道進(jìn)行掘進(jìn)的過程中，應(yīng)該及時對頂板和圍巖進(jìn)行牢固的支護(hù)。根據(jù)煤礦安全作業(yè)的規(guī)定，要求作業(yè)之前必須要對掘進(jìn)形成的空頂部位進(jìn)行可靠的支護(hù)，以保障作業(yè)人員的安全工作。但目前在掘進(jìn)過程中，支護(hù)設(shè)備無法同時跟進(jìn)，大量的時間都用在了支護(hù)工作上，導(dǎo)致綜掘設(shè)備的開機(jī)率非常低，煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率也極低。因此，為了提高煤礦采煤作業(yè)效率，需要縮短掘進(jìn)與支護(hù)作業(yè)時間，改進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與作業(yè)模式，提高支護(hù)的可靠性。

1 煤礦巷道的支護(hù)原理

巷道支護(hù)是通過利用一種專門設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)對巷道頂板及圍巖進(jìn)行支撐，防止頂板及圍巖坍塌及垮落，保障巷道的穩(wěn)固，為井下作業(yè)人員提供一個安全可靠的作業(yè)空間。目前在井下掘進(jìn)過程中經(jīng)常采用的巷道支護(hù)方式主要有臨時支護(hù)與永久支護(hù)兩種。臨時支護(hù)是在掘進(jìn)過程中采用的一種暫時支護(hù)方式，防止巖石的脫落，保證掘進(jìn)的持續(xù)進(jìn)行。臨時支護(hù)的施工需要在掘進(jìn)時提前進(jìn)行，貫穿在整個掘進(jìn)的全過程，一般在永久支護(hù)之前要施加臨時支護(hù)。在一定程度上，臨時支護(hù)的施加關(guān)系著整個掘進(jìn)過程的效率與安全系數(shù)。永久支護(hù)目前主要采用的是錨桿支護(hù)技術(shù)[1]。錨桿支護(hù)技術(shù)是在棚室支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，通過錨桿的支護(hù)特性有效地控制巷道圍巖的變形，增強(qiáng)煤礦巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。錨桿支護(hù)技術(shù)在對巷道進(jìn)行支護(hù)的應(yīng)用過程中，要充分考慮巷道的實際情況，確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力，確保錨桿支護(hù)的有效性與可靠性，進(jìn)而保障巷道的安全穩(wěn)固。錨桿支護(hù)技術(shù)是當(dāng)前煤礦巷道應(yīng)用最為普遍的一種支護(hù)技術(shù)，常規(guī)的巷道錨桿支護(hù)示意圖如圖1 所示。

圖1 巷道錨桿常規(guī)支護(hù)斷面圖

2 適應(yīng)現(xiàn)有掘進(jìn)工藝支護(hù)設(shè)備的承載原理

巷道臨時支護(hù)設(shè)備的主要作用是在掘進(jìn)過程中對剛剛形成的采空巷道頂板進(jìn)行暫時的支撐防護(hù)，保障掘進(jìn)過程順利、安全的進(jìn)行。掘進(jìn)機(jī)在持續(xù)采煤掘進(jìn)時，會逐漸形成采空區(qū)域，該采空區(qū)域形成的巷道的頂板及圍巖是非常松散和不牢固的，頂部和周邊巖石極容易垮落甚至奔塌，對人員及設(shè)備造成威脅和危害，因此需要對巷道的頂板及圍巖進(jìn)行及時的支護(hù)。支護(hù)設(shè)備在對巷道的頂板及周邊巖石進(jìn)行支撐防護(hù)時，其承載的過程主要分為初撐的階段、承載增阻的階段和恒阻的階段。初撐的階段主要是指支護(hù)設(shè)備剛開始工作的階段，支護(hù)設(shè)備剛開始運(yùn)作，其向上推力作用于頂梁，使得頂梁升高。承載增阻階段是指在初撐作用結(jié)束之后，頂板仍會存在變形下降，支護(hù)設(shè)備的阻力就會逐漸增加。最后達(dá)到恒阻階段就是頂板變形下降的壓力與支護(hù)設(shè)備的支撐阻力達(dá)到一個平衡值，形成平衡，之后支護(hù)設(shè)備的支撐力基本保持不變[2]。下頁圖2 為臨時支護(hù)設(shè)備支撐阻力隨時間變化曲線圖。

3 適應(yīng)現(xiàn)有掘進(jìn)工藝支護(hù)設(shè)備承載結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的設(shè)計

圖2 支護(hù)設(shè)備工作狀態(tài)下受力特性曲線

根據(jù)目前支護(hù)方式存在的問題和不足之處，對支護(hù)設(shè)備承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，初步得出該設(shè)備的結(jié)構(gòu)方案如圖3 所示。該支護(hù)設(shè)備承載結(jié)構(gòu)主要由頂梁結(jié)構(gòu)、伸縮式前探梁結(jié)構(gòu)、側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)、底座等部分組成[3]。該種承載能夠很好地適用于巷道掘進(jìn)過程的交叉支護(hù)，使采掘與支護(hù)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖3 支護(hù)設(shè)備承載結(jié)構(gòu)

3.1 頂梁與底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計

頂梁與底座是整個支護(hù)設(shè)備最主要的承載部件[4]，作為最關(guān)鍵的受力部件，承受著來自巷道頂板的主要壓力，一旦頂梁出現(xiàn)問題，整個支護(hù)設(shè)備即意味著失去作用，嚴(yán)重時會導(dǎo)致惡劣的垮塌事故，威脅采掘時人員與設(shè)備的安全。所以在進(jìn)行頂梁與底座設(shè)計時，必須要具有足夠的強(qiáng)度。同時底座處于整個設(shè)備的底部，必須保證整個支護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定性與牢固性，因此，底座在設(shè)計時，不僅要保證具有足夠的強(qiáng)度，同時還應(yīng)該保持與地面具有一定的接觸面積，保證底座具備一定的重量以此來保障支護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定性。

3.2 側(cè)護(hù)裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計

傳統(tǒng)的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)對于設(shè)備兩側(cè)的支護(hù)鮮有顧及。如圖4 所示，在頂梁的兩側(cè)設(shè)計一種鉸接式的側(cè)護(hù)結(jié)構(gòu)，該側(cè)護(hù)結(jié)構(gòu)通過千斤頂?shù)淖饔孟路D(zhuǎn)90°至水平狀態(tài)，增加頂板的寬度，能夠補(bǔ)足在寬巷道支護(hù)時頂板接觸面積不夠的缺陷，提高了該支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。同時由于結(jié)構(gòu)比較簡便，千斤頂位于較容易檢修和維護(hù)的位置，保障了支護(hù)設(shè)備的可靠性。

圖4 鉸接式側(cè)護(hù)板

3.3 防倒裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在掘進(jìn)過程中，為保障掘進(jìn)前后巷道的穩(wěn)固性，保障掘進(jìn)作業(yè)的安全持續(xù)進(jìn)行，該支護(hù)承載結(jié)構(gòu)在掘進(jìn)設(shè)備前后同時設(shè)置前后頂梁，為保證前后梁運(yùn)行平穩(wěn)，防止顛倒，設(shè)計了平拉防倒裝置結(jié)構(gòu)，將前后梁連成一個整體[5]。如圖5 所示，該結(jié)構(gòu)中間部分為千斤頂，通過千斤頂將前后梁部分連接成為一個整體，同時還可以保證該支護(hù)結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖5 防倒裝置結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

我國對煤炭資源的開采利用使得煤炭資源總量呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，同時淺煤層等易開發(fā)煤層更是逐漸減少，煤礦開采的環(huán)境條件越來越復(fù)雜，厚煤層及煤層賦存條件惡劣煤礦的礦區(qū)越來越多，那么在采掘過程對巷道進(jìn)行穩(wěn)固而可靠的支護(hù)就至關(guān)重要。煤礦企業(yè)應(yīng)根據(jù)井下巷道的實際情況，選擇合適的巷道支護(hù)技術(shù)，同時也要注重對新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，以適應(yīng)逐漸變化的煤礦井下復(fù)雜的煤層賦存條件，保障采煤作業(yè)的安全。