侯茂功

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

巷道掘進(jìn)是煤礦作業(yè)的關(guān)鍵工序之一，巷道掘進(jìn)、掘進(jìn)深度以及掘進(jìn)前準(zhǔn)備工作都是按照計(jì)劃提前規(guī)劃實(shí)施的[1]。隧道施工的基本過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的?，F(xiàn)有掘進(jìn)系統(tǒng)在假設(shè)柔性支架的同時(shí)必須停止采礦作業(yè)，因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)前方需要安裝一組隧道柔性支架，該支架的架設(shè)牢固程度會(huì)影響到工作面作業(yè)人員的安全。即使在機(jī)器不工作的情況下，也存在各種類型的威脅，例如巖崩等問(wèn)題，對(duì)靠近采空區(qū)的作業(yè)人員十分危險(xiǎn)。在掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中，安全放置支架，將臨時(shí)機(jī)械化巷道支架插入工作面，然后在永久支架架設(shè)的同時(shí)開展回采作業(yè)，在這種情況下，放置支架的工作人員在掘進(jìn)機(jī)后部，也就是臨時(shí)和永久支架的交界處[2-3]。

因此需要開發(fā)一種新的臨時(shí)性機(jī)械化支架來(lái)實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)設(shè)想，這可以解決礦井工作中遇到的臨時(shí)機(jī)械化隧道支架鋪設(shè)問(wèn)題。該問(wèn)題的解決可以實(shí)現(xiàn)與回采相關(guān)的機(jī)械化開采聯(lián)合工作，提升礦井自動(dòng)化工作水平，保證井下工作面支護(hù)的穩(wěn)定性。

1 機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)想與概念

機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)的基本假設(shè)是在工作面前方安裝永久支護(hù)部位出發(fā)，然后從掘進(jìn)工作面前端上沿開始，伸出臨時(shí)支護(hù)支架，保證隧道的穩(wěn)定性，直到永久支架樹立起來(lái)。根據(jù)該設(shè)想，該支架的組裝將在臨時(shí)機(jī)械化隧道支架的末端采用模塊化安裝和運(yùn)輸組裝方式進(jìn)行。因此，該系統(tǒng)應(yīng)包括臂式掘進(jìn)機(jī)、臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)和模塊化安裝運(yùn)輸裝配。

2 臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)應(yīng)用假設(shè)

在煤礦系統(tǒng)中，地下巷道是提供進(jìn)入和準(zhǔn)備開采煤炭的物理場(chǎng)所。這些隧道有一個(gè)具體的橫斷面，供物資和設(shè)備使用。在巷道挖掘的過(guò)程中，由于受到土質(zhì)不同的影響，所使用的臨時(shí)機(jī)械化巷道支護(hù)的支架密度，傾斜角度等許多事項(xiàng)都不同，本文所討論的是針對(duì)致密巖石而設(shè)計(jì)的，而不是松散巖石土層。因此，綜合考慮擬定臨時(shí)機(jī)械化隧道支架的概念和設(shè)計(jì)時(shí)，制定以下應(yīng)用假設(shè)：隨著礦井工作面前方掘進(jìn)；永久性鋼架可放置在臨時(shí)機(jī)械化隧道支架后部；該系統(tǒng)可以滿足一輛掘進(jìn)機(jī)、一輛鉆孔車和一輛裝載機(jī)，以及所陪同的其他輔助物料及工具（如刮板輸送機(jī)、礦車等），可在臨時(shí)機(jī)械化隧道支架下作業(yè)；臨時(shí)機(jī)械化隧道支架的最小長(zhǎng)度必須大于掘進(jìn)機(jī)或用于切割和裝載的機(jī)器長(zhǎng)度（對(duì)于目前運(yùn)行的機(jī)器來(lái)說(shuō)，這一長(zhǎng)度不得小于16 m）；支架內(nèi)部的自由空間寬4.2 m，以確保機(jī)器的自由移動(dòng)或通過(guò)；可以在坡度±12°和半徑15 m以上的隧道中工作；通過(guò)位于掘進(jìn)機(jī)后面的液壓電源為臨時(shí)機(jī)械化隧道支架提供乳化液，從而為設(shè)備提供動(dòng)力；通過(guò)支架本身組裝和拆卸臨時(shí)機(jī)械化隧道支架（使用機(jī)械手或工作平臺(tái)架設(shè)永久支架和懸掛軌道）。

基于上述假設(shè)和要求，提出了臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)的初步概念。它被設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊化的結(jié)構(gòu)，可以增加或刪除單獨(dú)的部分。由六個(gè)分段組成的集合視圖如圖1 所示。

圖1 一套六框架的臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)概念圖

臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)由兩個(gè)外框架1 和四個(gè)相同的內(nèi)框架2 組成。下部直線部分裝有行程為300 mm的膨脹缸3，將這些膨脹缸加長(zhǎng)150 mm 獲得支架的標(biāo)稱尺寸，剩余150 mm 備用。各個(gè)部分由四個(gè)移動(dòng)氣缸相互連接。由于考慮到他們的工作方式，這些氣缸在框架位置是雙向作用氣缸，內(nèi)框架中的氣缸是單向作用的。此外，拱由管狀導(dǎo)軌連接，以確保其在移動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性。每個(gè)框架由兩個(gè)側(cè)拱和一個(gè)內(nèi)拱組成。移動(dòng)氣缸的支架和管道導(dǎo)軌的支架安裝在使用特殊安裝板的帶有可拆卸接頭的拱上。此外，框架的重要組成部分的表面覆蓋著一個(gè)特殊的轉(zhuǎn)輪，設(shè)計(jì)該零部件的目的是在控制巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和保護(hù)巷道挖掘中作為指導(dǎo)，該附件裝配在拱門上。

在上頁(yè)圖1 所示的概念中，臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)適用于鋼拱支護(hù)截面的隧道中。一組相對(duì)于另一組的行程是280 mm，這是由進(jìn)料氣缸行程所決定的。在操作過(guò)程中各部分之間的距離與進(jìn)給氣缸長(zhǎng)度相同，為900 mm。

該系統(tǒng)的工作模式為，當(dāng)工作面向前推進(jìn)時(shí)，通過(guò)控制膨脹缸上的伺服電機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制膨脹缸向前移動(dòng)，從而將單個(gè)支撐段向前移動(dòng)。當(dāng)支撐段移動(dòng)到預(yù)定位置后，將支撐段打開起到支護(hù)作用，該支撐段固定后，再進(jìn)行下一個(gè)支撐段的支護(hù)工作，從而將整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)調(diào)整到位。

3 臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)應(yīng)用分析

采用臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)的模型和設(shè)計(jì)工作過(guò)程可以制定一份設(shè)計(jì)方案，根據(jù)該方案制作支護(hù)原型。在設(shè)計(jì)階段開發(fā)了幾種替代液壓系統(tǒng)。在每一種情況下，都提供了一個(gè)內(nèi)置在特殊滑行結(jié)構(gòu)上的液壓電源，隨著平端前進(jìn)，在支架后面移動(dòng)。根據(jù)樣機(jī)的需要，設(shè)計(jì)并制作了一套局部手動(dòng)控制的液壓系統(tǒng)。

支架已在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了預(yù)測(cè)試驗(yàn)（見(jiàn)圖2-1）。作為試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的一部分，對(duì)支架的功能進(jìn)行了測(cè)試，并通過(guò)測(cè)量選定行程、膨脹氣缸的供應(yīng)和流量來(lái)測(cè)試液壓系統(tǒng)的參數(shù)。測(cè)試結(jié)果顯示運(yùn)行狀況良好，不需要進(jìn)行修正或修改。然后在礦坑區(qū)建立完整支護(hù)，進(jìn)行地下開采試驗(yàn)（見(jiàn)圖2-2）。

圖2 臨時(shí)機(jī)械化巷道支護(hù)試驗(yàn)

在運(yùn)行測(cè)試期間，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)問(wèn)題，并在改進(jìn)支護(hù)功能的過(guò)程中解決了這些問(wèn)題。增加了導(dǎo)管的數(shù)量，改變了行程油缸的固定方式，驗(yàn)證了液壓動(dòng)力源的控制系統(tǒng)和參數(shù)。值得注意的是，試驗(yàn)臺(tái)和地下試驗(yàn)并未表明有必要對(duì)支架和液壓系統(tǒng)的施工進(jìn)行重大改變。測(cè)試成功，形成了功能齊全的移動(dòng)隧道支撐。

臨時(shí)機(jī)械化隧道支護(hù)的唯一限制是，如果支護(hù)是在頂板巖石較為松散的礦井中使用時(shí)，應(yīng)力預(yù)期巖石可能在支護(hù)（巖崩）之前澆筑，這將阻止其支護(hù)和移動(dòng)。同樣，在底部薄弱的情況下，支撐腳有崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。因此需要制訂預(yù)防措施，但需要在實(shí)際條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

從井下巷道掘進(jìn)作業(yè)中遇到的開拓進(jìn)度緩慢、安全性差等問(wèn)題出發(fā)，分析研究了在實(shí)際井下掘進(jìn)工作中遇到的支護(hù)需求，提出了支護(hù)改進(jìn)的臨時(shí)機(jī)械化支護(hù)方案，并對(duì)支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了模型預(yù)測(cè)以及建模分析。之后，對(duì)該模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，但應(yīng)該注意巷道巖石層的實(shí)際情況，尤其是在頂部或底部巖石有崩壞危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)巖石層做混凝土澆筑等預(yù)防措施。本方案為巷道的快速開拓提供了解決方案，為機(jī)械開采和采礦鉆孔和爆破方法提供了更多的設(shè)計(jì)支持。最重要的和關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)是該系統(tǒng)顯著增加了巷道開挖工作的安全性，改善了開采成本與周期問(wèn)題。