陳飛，張紹波

(四川華鎣山廣能集團(tuán) 嘉華機(jī)械有限責(zé)任公司， 四川 廣安 638600)

0 引言

《煤礦安全規(guī)程》第九十七條規(guī)定：“采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內(nèi)必須加強(qiáng)支護(hù)，且加強(qiáng)支護(hù)的巷道不得小于20 m”[2]。我國綜采工作面超前支護(hù)的方式主要是在巷道掘進(jìn)施工的錨桿(索)支護(hù)的基礎(chǔ)上，以單體液壓支護(hù)配合金屬鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)巷道斷面及頂板壓力情況確定支護(hù)參數(shù)，以確保安全出口的暢通。近水平煤層巷道超前支護(hù)中，已經(jīng)有了沿順槽方向布置的超前支架，但由于穩(wěn)定性、適應(yīng)角度等問題，在大傾角巷道中還未有專用的超前設(shè)備，還是以錨桿(索)配合單體進(jìn)行超前支護(hù)。而以單體支護(hù)為主的兩巷超前支護(hù)方式已成為制約工作面高產(chǎn)高效的瓶頸。因此，根據(jù)大傾角巷道條件，分析了現(xiàn)有超前支護(hù)的不足，研究了新型超前支護(hù)設(shè)備，從適應(yīng)傾角、穩(wěn)定性、推移速度、對頂板破壞等方面研究解決措施，以滿足大傾角綜采工作面超前支護(hù)要求。

1 超前支護(hù)性能要求

綜采工作面對超前支護(hù)有以下要求：

1) 礦井開采強(qiáng)度加大，推進(jìn)速度和自動(dòng)化程度提高，要求工作面端頭和順槽超前支護(hù)具有更快的移架速度和更高的支護(hù)強(qiáng)度。

2) 隨著綜采設(shè)備尺寸的加大、以及自動(dòng)化控制設(shè)備的增多，對工作面端頭和超前巷道支護(hù)的可靠性要求越來越高，要求必須提高工作面端頭和超前支護(hù)作業(yè)的機(jī)械化水平和支護(hù)品質(zhì)，才能更好的發(fā)揮成套裝備的能力，保證高產(chǎn)高效。

3) 我國許多煤礦都進(jìn)入了開采晚期，在地質(zhì)環(huán)境差和開采條件差的礦井，回采過程巷道壓力日益明顯，要求不能影響工作面的正常推進(jìn)和設(shè)備及人員的安全。

2 現(xiàn)有超前支護(hù)方式

2.1 單體支柱超前支護(hù)

利用單體液壓支柱配合π型鋼棚支護(hù)，通過頂板壓力和巷道斷面情況確定支護(hù)參數(shù)[4]。雖然可以適應(yīng)巷道的傾角，但存在以下問題:支護(hù)強(qiáng)度不足；根據(jù)工作面的推進(jìn)需要不停地支與不停地拆，支護(hù)速度與支柱回撤速度慢；勞動(dòng)強(qiáng)度大；成本高、安全性差[4]。單體支柱超前支護(hù)如圖1所示。

圖1 單體支柱超前支護(hù)

2.2 四連桿結(jié)構(gòu)

該超前支架每組支護(hù)單元都由左右兩架組成，分列于巷道兩側(cè)，在一架前移時(shí)，其前、后及左(或右)架依然對頂板有效支撐，更好地控制頂板[5]。支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)為薄式四連桿，利用千斤頂及連接件使左、右架相連接，從而避免傾倒。由于穩(wěn)定性差、無法適應(yīng)巷道傾角，無法應(yīng)用到大傾角巷道超前支護(hù)。由于南方煤層高度低，巷道窄，無法與轉(zhuǎn)載機(jī)合理布置，影響接煤效果，如圖2所示。

圖2 四連桿結(jié)構(gòu)超前支架

2.3 排式頂梁結(jié)構(gòu)

該支架采用獨(dú)立的開底交錯(cuò)邁步自移方式，左右立柱在巷道中按騎轉(zhuǎn)載機(jī)的方式安裝，兩組頂梁和立柱交錯(cuò)邁步自移[1]?？v梁相互按間距布置并分別與橫梁連接，立柱安裝于橫梁上，提供支撐力，中間橫梁布置兩根推移千斤頂，提供移架力。移架時(shí)分給移架，兩組縱梁相互以頂板為基礎(chǔ)邁步自移。這種結(jié)構(gòu)超前支架無法承受側(cè)向力，在使用到大傾角巷道時(shí)，支撐時(shí)會因?yàn)閮A角產(chǎn)生側(cè)向分力，造成倒架，穩(wěn)定性差，所以也不能使用到大傾角巷道的超前支護(hù)，如圖3所示。

圖3 排式頂梁結(jié)構(gòu)超前支架

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及改進(jìn)措施

3.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1) 適應(yīng)巷道傾角。因使用在大傾角工作面，巷道一般沿頂板掘進(jìn)，巷道為梯形斷面，所以超前支架需適應(yīng)巷道的傾角要求，并能適應(yīng)傾角的不斷變化。

2) 頂板支護(hù)。一是需要足夠的支護(hù)強(qiáng)度控制頂板。二是南方礦井頂板較為破碎，按超前20 m計(jì)算，需反復(fù)支撐頂板而破壞頂板，造成“垮頂”。

3) 超前支護(hù)的布置方式。需根據(jù)巷道條件研究超前設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸，在保證其穩(wěn)定性前提下能跟轉(zhuǎn)載機(jī)合理配套，不影響轉(zhuǎn)載機(jī)的接煤效果。

4) 移架困難。大傾角綜采工作面防塵水、管路漏液都會流向下出口，使巷道底板長期積水，底板遇水膨脹，使超前支護(hù)陷底，移架困難。前移效率慢就會嚴(yán)重影響工作面的正常推進(jìn)。

3.2 改進(jìn)措施

1) 超前支架方式是回采工作面進(jìn)行超前支護(hù)處理的合理方式[3]。采用四柱支撐式支架，與巷道垂直布置，前柱長后柱短，通過調(diào)整前后柱的行程來適應(yīng)傾角變化。

2) 以往巷道超前是采用單體支柱配合橫梁，單體柱距約1 m，橫梁為礦工鋼制成，接頂面積小，受力狀況差。本次盡量增大接頂面積，保證接頂效果，改善頂板受力狀況。加大推移距離，減少對頂板的支撐次數(shù)；在可靠前提下加大支架的架間距，使超前支護(hù)設(shè)備數(shù)量減少，加快推進(jìn)速度，創(chuàng)新推移方式減少反復(fù)支撐。

3) 利用導(dǎo)向座代替四柱支撐式支架的四連桿，承受傾斜頂板的側(cè)向分力。減小了結(jié)構(gòu)尺寸，與轉(zhuǎn)載機(jī)合理配套。因巷道里需要布置轉(zhuǎn)載機(jī)，底座就比較短。需要支護(hù)整個(gè)巷道頂板，頂梁長度比較長。為保證支架的穩(wěn)定性，進(jìn)行三維建模，通過計(jì)算后方的配重進(jìn)行重心的調(diào)整，避免“栽頭”現(xiàn)象。

4) 每架布置兩組大缸徑推移分別置于支架前端與后端，保證有足夠的推移力。所有超前支架全部為拉開狀態(tài)，隨著工作面每推進(jìn)一個(gè)步距末尾一架向前推移一次，末尾兩架向前推移一次……直到所有超前支架為收回狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，避免每推進(jìn)一個(gè)步距每架都要前移一次。增加電控系統(tǒng)，使人員可以遙控操作，提高操作效率，一名工作人員就可以控制尾架超前支架。

4 支架參數(shù)與結(jié)構(gòu)

4.1 支架參數(shù)計(jì)算

根據(jù)巷道壓力檢測數(shù)據(jù)計(jì)算超前支架工作阻力為2 800 kN，通過專業(yè)軟件分析，支護(hù)強(qiáng)度滿足巷道支護(hù)要求，如圖4、表1所示。

圖4 超前支架參數(shù)計(jì)算

表1 ZTHC2800/15/28D超前液壓支架主要技術(shù)特征

4.2 支架穩(wěn)定性計(jì)算

因受側(cè)向力的四連桿結(jié)構(gòu)改為導(dǎo)向座結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向座的強(qiáng)度直接關(guān)系到支架的穩(wěn)定性，校核如下：

按照支架受力狀況最大的情況進(jìn)行計(jì)算，工作阻力取2 800 kN,適應(yīng)最大傾角40°。立柱會因頂板傾角產(chǎn)生沿頂板分力與垂直頂板的分力，如圖5所示。

圖5 超前支架受力分析圖

前柱缸徑為180 mm，后柱缸徑為125 mm，計(jì)算得后柱支撐力F1=910 kN，F(xiàn)2=1 890 kN。

二級導(dǎo)向座的最大力臂為121 cm，則二級導(dǎo)向座彎矩M2為：15 340×121=1 856 140 kg·cm。

一級導(dǎo)向座的最大力臂為185 cm，則一級導(dǎo)向座彎矩M1為：15 340×185=2 837 900 kg·cm。

二級導(dǎo)向座為Q460，δ25鋼板拼焊的240 mm×240 mm箱型，則H=24 cm，h=19 cm。

其抗彎截面系數(shù)：W2=(H4-h4)/6H=1 398.99 cm3。

二級導(dǎo)向座彎曲應(yīng)力為：M2/W2=1 326.77 kg/cm2。

鋼板許用彎曲應(yīng)力按屈服極限的85%計(jì)算，460 MPa×0.85=391 MPa=3 910 kg/cm2，大于二級導(dǎo)向座彎曲應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。

按照同樣方法計(jì)算一級導(dǎo)向座彎曲應(yīng)力，強(qiáng)度可滿足要求。

通過計(jì)算驗(yàn)證，導(dǎo)向座設(shè)計(jì)能夠克服支架側(cè)向力，滿足使用要求。

4.3 主要特點(diǎn)

1) 適應(yīng)頂板能力強(qiáng)。頂梁設(shè)計(jì)為整體箱型結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、接頂面積大。對于巷道破碎頂板條件，適應(yīng)性較強(qiáng)，又能承受頂板壓力。調(diào)整前排與后排立柱的伸出長度可實(shí)現(xiàn)頂梁在一定傾角范圍內(nèi)擺動(dòng)，能適應(yīng)巷道傾角的變化。設(shè)置兩級導(dǎo)向座克服支架側(cè)向力，通過后排兩立柱的升、降可帶動(dòng)二級升降座在底座內(nèi)靈活伸出和收回，適應(yīng)不同高度的工作面的需要。

2) 順利移架。超前支架底座前、后端布置兩組大缸徑推移裝置，分組動(dòng)作，當(dāng)超前支架出現(xiàn)走偏時(shí)，兩組推移分別動(dòng)作，調(diào)整前、后推移距離調(diào)整超前支架的前移方向，確保順利移架。超前支架前行方向設(shè)置為40°船型結(jié)構(gòu)，方便移架。裝備電控系統(tǒng)及遙控器，實(shí)現(xiàn)遙控操作，一名工作人員就可以遙控操作尾架數(shù)架超前支架,提高了操作效率。

3) 保證安全。將升降座與支架后柱全部設(shè)在底座最后端，前柱設(shè)在底座最前端，中間留足安全通道的距離，形成900 mm的安全行人通道。架與架之間設(shè)伸縮式行人踏步，隨著超前支架相鄰架的拉開與收縮，行人踏步自動(dòng)收縮，保證行人通道的平與直。取消以往大傾角巷道超前的支鋼梁拆鋼梁工序，從根本上保證超前人員的作業(yè)安全。

4.4 超前支架的使用

在掘進(jìn)巷道時(shí)，沿頂掘進(jìn)，留部分三角煤便于支護(hù)。轉(zhuǎn)載機(jī)根據(jù)配套尺寸保證與巷道上幫的距離，便于刮板機(jī)的落煤。超前支架根據(jù)轉(zhuǎn)載機(jī)的位置布置在巷道下幫，與下幫留300 mm左右的活動(dòng)空間，如圖6所示。

圖6 超前支護(hù)布置

超前支架組在初始狀態(tài)是所有超前支架全部為拉開狀態(tài)，即推移千斤頂推出狀態(tài)，隨著工作面的推進(jìn)，先是末尾一架向前推移一次，推移千斤頂為收回狀態(tài)，再是末尾兩架向前推移一次，然后是末尾三架向前推移一次，如此循環(huán)，直到所有超前支架為收回狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，避免每推進(jìn)一個(gè)步距每架都要前移一次，如圖7所示。

超前支架組初始狀態(tài)

5 結(jié)論

超前支架組采用與巷道垂直布置，通過調(diào)整前、后柱的行程距離，適應(yīng)巷道頂板的傾角變化。根據(jù)巷道頂板的破碎情況，使超前支架組在布置時(shí)就拉開一個(gè)架間距，減少了超前支架的數(shù)量，減少了反復(fù)支撐頂板的次數(shù)。

與以前的大傾角巷道單體加橫梁超前支護(hù)方式相比，該超前支架采用了整體箱型頂梁，支護(hù)面積增大，接頂效果好，避免破壞頂板，并具有較強(qiáng)的支護(hù)強(qiáng)度，可滿足巷道超前支護(hù)要求。采用了遙控式操作，大大提高了支護(hù)效率、推進(jìn)效率。采用大缸徑推移實(shí)現(xiàn)自移，不用再不停地支橫梁、拆橫梁，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。