曹志輝

（山西焦煤集團山煤國際長春興煤業(yè)公司，山西 大同 037101）

1 103運輸順槽概況

山西焦煤集團山煤國際長春興煤業(yè)公司103運輸順槽位于北盤區(qū)東部，巷道東西走向布置，北部為103工作面回采區(qū)域，南部為101采空區(qū)，西部為北盤區(qū)大巷，東部為井田邊界。103運輸順槽設計掘進長度為1 200 m，巷道掘進斷面規(guī)格為寬×高=4.2 m×3.7 m，巷道沿22號煤層底板掘進，煤層平均厚度為9.5 m，平均傾角為2°，巷道預留頂煤厚度為5.8 m，巷道采用綜合機械化掘進工藝。

103運輸順槽主要采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等聯(lián)合支護；頂板每排布置5根錨桿，錨桿長度為2.0 m、直徑為22 mm，錨桿布置間排距均為1.0 m，錨桿外露端安裝一根長度為4.2 m“W”型鋼帶；頂板每排布置3根錨索，錨索長度為6.0 m、直徑為17.8 mm，錨索布置間距為1.8 m、排距為3.0 m，錨索外露端安裝一塊長度及寬度為0.3 m托盤；護幫采用單錨桿支護，每排布置4根，錨桿布置間排距為1.0 m，護幫錨桿長度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿外露端安裝一塊長度為0.45 m托盤；頂板及巷幫采用同一種金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)長度為4.0 m、寬度為2.0 m，網(wǎng)格為棱形狀。

截止目前103運輸順槽已掘進477 m，巷道掘進至475 m處揭露一條F7正斷層，斷層落差為2.4 m，受斷層影響巷道圍巖出現(xiàn)嚴重破碎現(xiàn)象，導致巷道頂板及兩幫錨桿（索）支護效果差，起不到預期支護效果。

2 巷道支護優(yōu)化應用

為了解決傳統(tǒng)錨桿（索）支護在應力區(qū)主要存在的問題，決定對103運輸順槽支護進行優(yōu)化，采用液壓矩形鋼棚支護。

2.1 支護結(jié)構(gòu)

1）液壓矩形鋼棚主要由基座、伺服電機、主動齒輪從動齒輪、套筒、伸縮桿、頂梁、雙向電機、絲桿、滑塊、側(cè)護板、固定塊、活動塊、滑桿、限位塊、復位彈簧、限位槽、壓縮彈簧、壓板、觸點等部分組成，如圖1所示。

2）基座內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)壁底部安裝主動齒輪，主動齒輪安裝有伺服電機，電機輸出軸與主動齒輪固定連接，主動齒輪兩側(cè)對稱布置轉(zhuǎn)動連接的從動齒輪，且主從動齒輪完全嚙合。

3）基座上部對稱安裝轉(zhuǎn)動連接的套筒，套筒底端延伸至基座空腔內(nèi)并與從動齒輪頂部固定連接，套筒內(nèi)壁頂部套設有轉(zhuǎn)動連接的伸縮桿，其頂部安裝一個頂梁[1-2]。

4）頂梁內(nèi)部同樣為空腔結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)安裝一臺雙向電機，且雙向電機兩個輸出軸均套設有第二絲桿，第二絲桿外壁套設有轉(zhuǎn)動連接的滑塊，滑塊與頂梁腔體內(nèi)壁滑動連接，同時滑塊一端延伸至外側(cè)并與側(cè)護板連接。

5）頂梁底部中心安裝固定塊，固定塊外壁兩側(cè)對稱設有轉(zhuǎn)動連接的活動塊，活動塊外壁遠離固定塊一側(cè)設置為腔體，腔體內(nèi)壁匹配設有滑動連接的滑桿，滑桿一端與側(cè)護板外壁底部轉(zhuǎn)動連接。

圖1 液壓矩形鋼棚結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 支護原理

1）首先將液壓矩形鋼棚安裝在需要支護的區(qū)域，伺服電機開始工作，帶動主動齒輪進行運動，從而帶動兩個從動齒輪進行運動，此時套筒隨之進行轉(zhuǎn)動，從而帶動伸縮桿向上進行運動，頂梁伸縮桿作用下向上進行移動，從而對頂板進行有效支護[3-4]。

2）利用齒輪控制兩個套筒同步轉(zhuǎn)動，從而使得兩邊伸縮桿同步上升，避免頂梁運動時出現(xiàn)偏移，保證了鋼棚支護穩(wěn)定性，頂梁支護穩(wěn)定后，雙向電機開始工作，帶動兩個絲桿進行轉(zhuǎn)動，從而推動側(cè)護板相向運動，實現(xiàn)對巷道兩幫進行支護。

3）在支護過程中當頂梁向上進行運動時，壓板隨之向上進行運動，壓板首先與頂板接觸，壓縮彈簧被壓縮，壓板與鋼棚頂梁緊密貼合后，此時壓塊始終保持與觸點完全接觸，當鋼棚支護失效時，頂梁與壓板不再緊密接觸，壓縮彈簧推動壓板遠離頂梁，此時壓塊不再接觸觸點，報警系統(tǒng)進行報警，提醒工作人員裝置工作狀態(tài)出現(xiàn)問題，保證了裝置的安全性。

3 液壓矩形鋼棚支護優(yōu)缺點

3.1 支護優(yōu)點

1）支護強度高：與傳統(tǒng)矩形工字鋼棚相比，液壓矩形鋼棚底座與棚腿為一體，在安裝時更加穩(wěn)固，而且棚腿采用機械控制，液壓棚腿支撐強度高，承載能力強；同時頂梁截面積大、剛性強不易變形[5]。

2）支護效果好：傳統(tǒng)矩形工字鋼棚支護時只可對頂板進行有效支護，無法對兩幫，特別是巷幫與頂板之間的三角煤柱進行支護，而液壓矩形鋼棚在對頂板支護的同時可通過側(cè)護板對兩幫進行有效支護，從而有效防止巷幫垮落現(xiàn)象，大大提高了支護效果。

3）操作方便：傳統(tǒng)工字鋼棚支護時需3～5人配合施工，鋼棚安裝勞動作業(yè)強度大，支護時危險系數(shù)高；而液壓矩形鋼棚在支護時，只需1人操作即可，操作方便，降低了支護勞動作業(yè)強度。

4）實用性強：液壓矩形鋼棚可應用于不同斷面采掘巷道內(nèi)，而且還可用于橋梁、隧道等領(lǐng)域中，實用性強、應用領(lǐng)域廣。

3.2 支護缺點

由于巷道內(nèi)粉塵濃度大、鋼棚密封性差，導致粉塵進入局部密封原件，造成鋼棚支護失效等，所以需定期清理鋼棚內(nèi)粉塵；鋼棚體積大、重量大，在搬運時勞動作業(yè)強度大[6]。

4 實際應用效果分析

103運輸順槽掘進至477 m處時對巷道頂板支護進行優(yōu)化改進，對巷道安裝液壓矩形鋼棚，鋼棚安裝間距為1.5 m，截止2020年12月3日運輸順槽已掘進至524 m處，巷道已完全過F5斷層應力區(qū)，應力區(qū)內(nèi)共計架設20架鋼棚，應力區(qū)安裝鋼棚后，對應力區(qū)頂板安裝1臺YH-300型數(shù)字顯示離層儀，通過15 d現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在0～8 d范圍內(nèi)鋼棚支護后雖然對頂板起到控制作用，但是頂板出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象，頂板局部出現(xiàn)下沉，在8～13 d范圍頂板蠕動變形現(xiàn)象逐漸降低，鋼棚對頂板起到耦合支護作用，在13 d后頂板穩(wěn)定不再變形，實測頂板最大下沉量為0.14 m。

5 結(jié)語

巷道掘進過程中經(jīng)常遇斷層、陷落柱、地塹等地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造侵入掘進煤層后破壞了煤層整體穩(wěn)定性，導致圍巖出現(xiàn)嚴重破碎現(xiàn)象，并在圍巖體內(nèi)形成松動圈。在圍巖破碎區(qū)內(nèi)采用單一的錨桿（索）支護時不僅支護數(shù)量多、支護成本費用高，而且支護失效率高、支護效果差，無法滿足應力區(qū)巷道支護需求；103運輸順槽對應力區(qū)采取液壓矩形鋼棚支護后，有效控制了頂板變形、下沉現(xiàn)象，防止了應力區(qū)頂板垮落事故發(fā)生，保障了巷道安全快速掘進，取得了顯著應用成效。