趙 剛

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030000）

引言

井下巷道掘進(jìn)過程中破壞了地層的內(nèi)應(yīng)力平衡，會(huì)導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)擾動(dòng)和低壓沖擊下變形、失穩(wěn)，因此需要對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，保證在掘進(jìn)過程中的穩(wěn)定性。為了提高支護(hù)效率，目前在巷道掘進(jìn)中開始采用液壓支架進(jìn)行支護(hù)，有效地提升了巷道支護(hù)的效率和穩(wěn)定性[1]。但在實(shí)際使用過程中，目前多數(shù)支架的支護(hù)參數(shù)選擇和調(diào)整均依靠人工經(jīng)驗(yàn)，在支護(hù)過程中再根據(jù)井下的實(shí)際支護(hù)情況調(diào)整，存在著調(diào)整周期長(zhǎng)、參數(shù)準(zhǔn)確性差的問題，無法滿足井下快速掘進(jìn)的需求。

結(jié)合目前井下巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀，本文提出了一種新的機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)，以液壓支架支護(hù)為核心，對(duì)液壓支架支護(hù)時(shí)的支護(hù)原理、參數(shù)選擇等進(jìn)行研究，總結(jié)了一套“先自動(dòng)調(diào)整再人工修正”的井下液壓支架支護(hù)控制原則，為井下機(jī)械化支護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠顯著提升井下液壓支架在支護(hù)時(shí)的效率和穩(wěn)定性，為進(jìn)一步提升井下巷道掘進(jìn)效率奠定了基礎(chǔ)。

1 液壓支架支護(hù)原理

液壓支架的支護(hù)核心要求是能對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)能夠隨著巷道掘進(jìn)的不同，調(diào)整支護(hù)姿態(tài)并向前推進(jìn)，因此必須具備升柱、降柱、支護(hù)姿態(tài)調(diào)整的功能，同時(shí)還需要能夠抵擋礦壓波動(dòng)的沖擊，保持巷道的穩(wěn)定性。目前液壓支架的動(dòng)作調(diào)整主要是依靠電液控制系統(tǒng)來完成，通過計(jì)算機(jī)控制液壓支架的各類閥體，保證支架支護(hù)的動(dòng)作順序和支護(hù)力。從而保證液壓支架在支護(hù)過程中完成升架、降架、推溜、移架等工序，保證在工作過程中的支護(hù)穩(wěn)定性。液壓支架井下支護(hù)原理如圖1所示[2]。

2 液壓支架支護(hù)參數(shù)選擇原則

液壓支架在支護(hù)過程中的核心支護(hù)參數(shù)包括液壓支架在移動(dòng)時(shí)的移架速度、液壓支架工作時(shí)的初撐力、液壓支架工作時(shí)的支護(hù)阻力，傳統(tǒng)情況下以上支護(hù)參數(shù)主要靠人工經(jīng)驗(yàn)來確定，因此參數(shù)的設(shè)置和實(shí)際需求差異較大，需要頻繁的調(diào)整才能滿足井下支護(hù)作業(yè)的需求。

圖1 液壓支架支護(hù)原理圖

目前井下巷道掘進(jìn)及綜采作業(yè)速度飛速提升，因此需要不斷提升液壓支架的單架移架的速度，保證井下巷道的掘進(jìn)效率，根據(jù)對(duì)井下實(shí)際掘進(jìn)情況的分析，一般要求液壓支架的單架移動(dòng)速度不能低于9 m/min，其在井下的移架速度vz可表示為[3]：

式中：b0為相鄰液壓支架間的中心距離，m；T為液壓支架移架的總時(shí)間，min。

液壓支架在移架時(shí)的總時(shí)間T包括液壓支架在移動(dòng)時(shí)的降柱時(shí)間、移架時(shí)間及升柱時(shí)間三個(gè)部分，其移架總時(shí)間可表示為[4]：

式中：t1為液壓支架的降柱時(shí)間，min；t2為液壓支架的移架時(shí)間，min；t3為液壓支架的升柱時(shí)間，min；n1為液壓支架降架時(shí)同時(shí)推動(dòng)的千斤頂?shù)臄?shù)量；n2為液壓支架移架時(shí)同時(shí)推動(dòng)的千斤頂?shù)臄?shù)量；n3為液壓支架升架時(shí)同時(shí)推動(dòng)千斤頂?shù)臄?shù)量；S1為液壓支架降架時(shí)立柱的移動(dòng)量，m；S2為液壓支架升柱時(shí)立柱的移動(dòng)量，m；S3為液壓支架移動(dòng)時(shí)的步距，m；A1為液壓支架立柱活塞桿的截面積，m2；A2為液壓支架推移千斤頂工作腔的截面積，m2；A3為液壓支架立柱活塞腔的截面積，m2；Q為液壓泵站的流量，m3/min；

由分析結(jié)果可知，在實(shí)際操作過程中年，只有S1和S2是變量，因此在控制過程中通過改變以上兩個(gè)量，即可對(duì)液壓支架的支護(hù)效率進(jìn)行調(diào)整。

液壓支架在支護(hù)過程中的工作阻力會(huì)隨著采高的增加而增大，初撐力是在液壓支架在泵站的作用下將頂梁升起并和頂板密切接觸時(shí)，為頂板提供的初始支撐力。初撐力的增加能夠提高液壓支架對(duì)頂板的支護(hù)能力，提高巷道頂板的穩(wěn)定性，在支護(hù)作業(yè)時(shí)，支架的初撐力F可表示為[5]：

式中：D為液壓支架立柱活塞缸直徑，mm；m為液壓泵站工作壓力，MPa；n為液壓支架的立柱數(shù)量。

液壓支架工作阻力，是指液壓支架承受頂板來壓時(shí)的最大支撐力，直接關(guān)系到液壓支架的支護(hù)穩(wěn)定性和可靠性，結(jié)合煤礦井下頂板的實(shí)際狀態(tài)，在綜采采空區(qū)經(jīng)常形成“懸臂伸縮梁”結(jié)構(gòu)，此時(shí)其處于最危險(xiǎn)的“失穩(wěn)載荷”狀態(tài)，此時(shí)支架-圍巖狀態(tài)模型如圖2所示。

圖2 支架-圍巖失穩(wěn)載荷分布模型

由此分析可知，在失穩(wěn)載荷分布狀態(tài)下，保證巷道頂板穩(wěn)定性所需的支架工作阻力F1可表示為[6]：

式中：L為頂板的控頂距離，m；b為液壓支架的頂梁寬度，m；h為巷道頂板直接頂厚度，m；γ為巷道頂板巖層的容重；τ為支架載荷側(cè)的應(yīng)力系數(shù)；k為載荷傳遞的時(shí)間因子；φ為頂板與液壓支架夾角。

3 液壓支架支護(hù)方案分析

目前井下對(duì)液壓支架支護(hù)時(shí)的操作，主要包括順序操作、全自動(dòng)控制以及先自動(dòng)調(diào)整再人工修正三種方案[7]，分別介紹如下：

1）順序操作是指，根據(jù)液壓支架的降架-移架-升架工序來依次調(diào)整液壓支架的支護(hù)姿態(tài)，該操作方案的支護(hù)指令較好，但由于采用了串行操作的控制模式，因此導(dǎo)致實(shí)際的移架時(shí)間長(zhǎng)，效率低下；

2）全自動(dòng)控制操作，主要是指由電液控制程序直接控制完成液壓支架的調(diào)整，該控制模式部分工序采用了并行控制方案，因此移架時(shí)間較短，但支護(hù)質(zhì)量較差，容易發(fā)生傾倒；

3）先自動(dòng)調(diào)整再人工修正，該方案在自動(dòng)控制操作的基礎(chǔ)上增加了人工修正方案，對(duì)特殊地形條件下的支架支護(hù)情況進(jìn)行調(diào)整，提高了巷道支護(hù)的可靠性，該方案調(diào)整實(shí)際時(shí)間較短，而且支護(hù)穩(wěn)定性高，顯著提升了井下的支護(hù)效率和可靠性。液壓支架先自動(dòng)調(diào)整再人工修正的方案如圖3所示[8]。

圖3 先自動(dòng)調(diào)整再人工修正原理示意圖

目前該機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)煤礦投入應(yīng)用，對(duì)規(guī)范井下液壓支架調(diào)整方式、提高液壓支架的調(diào)整效率和支護(hù)穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

為了解決目前掘進(jìn)作業(yè)中機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)靠人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定可靠性差的問題，提出了“先自動(dòng)調(diào)整再人工修正”的支架支護(hù)控制原則，對(duì)液壓支架支護(hù)參數(shù)選擇原則和調(diào)整方式進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）液壓支架的支護(hù)核心要求是能對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)能夠隨著巷道掘進(jìn)的不同調(diào)整支護(hù)姿態(tài)并向前推進(jìn)；

2）液壓支架在支護(hù)過程中的核心支護(hù)參數(shù)包括了液壓支架在移動(dòng)時(shí)的移架速度、液壓支架工作時(shí)的初撐力、液壓支架工作時(shí)的支護(hù)阻力；

3）先自動(dòng)調(diào)整再人工修正的支架支護(hù)控制原則，調(diào)整時(shí)間較短、支護(hù)穩(wěn)定性高，能夠顯著提升井下的支護(hù)效率和可靠性。