机掘巷道新型自移式超前支架的工业性试验

  李永梅1  贾清华2

  （1．大同煤矿集团有限责任公司技术中心，山西省大同市，037003;

 2．大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院，山西省大同市，037003）

  摘  要  分析了目前6种常见的巷道临时支护的支护方式和支护特点，介绍了同煤集团

自主研发的机掘巷道机掘巷道新型自移式超前支架的主要技术参数、主要结构及其特点，详

细阐述了机掘巷道机掘巷道新型自移式超前支架的试验巷道工程概况和工业性试验内容。通 过工业性试验表明，该支架具有结构简单、安全可靠、稳定性好、功能强大和适应性好等特

点，为巷道掘进带来显著的社会效益和技术经济效益。

  关键词  机掘巷道新型自移式超前支架巷道掘进巷道支护  工业性试验

  中图分类号  TD353  

  目前临时支护的方式较多，但均不够理想，有的支护方式支护工艺不合理、劳动强度较大且支护时间较长，严重地影响了掘进速度；有的支护方式支护质量较差，因此对围岩的控制能力较差，从而导致冒顶和片帮事故时有发生，这也严重地影响了掘进速度。由此可见，临时支护的问题已经成为制约巷道安全掘进和快速掘进的关键。临时支护的方式、结构、质量以及动作原理直接关系到临时支护的时间、效果、安全以及临时支护与掘进工艺合理地衔接。因此，研发安全、快速、高效和配套的机掘巷道新型自移式超前支架势在必行。

1  巷道临时支护概述

  目前，国内外的一些高等院校、研究机构以及业界人士在煤岩巷道临时支护设备的研究和开发方面做了许多有益的探索。概括起来，巷道临时支护的方式主要有以下6种：第一种是单体支柱十柱帽；第二种是单体支柱十铰接梁十板梁；第三种是悬吊式长钢梁前探梁；第四种是落地式自移临时支架；第五种是棚梁悬吊式自移支架；第六种是机载临时支护。从使用情况看，目前的临时支护主要存在以下特点：  

(1)前3种支护的方式主要存在空顶下进行临时支护作业人员没有安全保障、工序转换频繁、支护用时长、支护不及时、自动化程度低、工人辅助工作量大以及劳动强度大等问题，悬吊式长钢梁前探梁支护的方式还存在支撑力小（生根点在悬吊锚杆上）、支护结构不合理（悬臂梁）以及支护面积小等问题。

  (2)落地式自移临时支架支护的方式存在自动化程度较高、能够减轻工人的体力劳动以及支撑力较大等优点，但是也存在支护时间长、检修维修困难、对掘进机影响干扰性大以及占用空间较大等问题，所以在现场很难推广应用。

  (3)棚梁悬吊式自移支架支护的方式存在不占用有效空间和对掘进工作影响程度较低等优点，但是也存在支架结构不合理、支撑力小、轨道安装时间长且要求质量高、轨道容易受到碰撞而变形、结构容易失稳、适应范围小以及通用性差等问题，不能有效地推广和应用。

  (4)机载临时支护的方式多为掘、支、锚一体化，存在相互交替作用时间短、支护及时和支撑力高等优点，但是也存在整机结构复杂、结构合理性差、占用空间大、司机误操作大、工作视线受影响、事故率高、不能与锚杆钻车配套使用、空顶小的情况下支撑板容易压坏已安装的锚杆、不能连续向前进行及时支护以及限制了循环进尺的提高等问题，目前还不是很成熟，有待进一步完善。

  上述支护的方式还有一个共同的缺陷就是不能自动将铁丝网和钢带一次安装到位，人工辅助工作量较大，安装时也存在安全隐患。为此，同煤集团自主研发机掘巷道新型自移式超前支架，使巷道掘进的临时支护技术水平上一个新的台阶。

2  主要技术参数

  机掘巷道新型自移式超前支架整机长度最小为5.2 m，最长为7.5 m；整机宽度最大为4.7 m，单侧宽度小于0. 50 m;整机高度最高为4.55 m，最低为3 m;整机重量为5.2 t。专用乳化液泵站压力为20 M Pa，流量为20 L／min，电机功率为7.5 kW，转速为1460 r／min，工作电压为660／1140 V，水箱容积为450 L；支护上油缸行程为0.5 m，下油缸行程为0.8 m;推移油缸行程为1.1 m；支护强度为110 M Pa。

3  主要结构及其特点

  机掘巷道新型自移式超前支架主要由迈步移动支架、超前支架、摆动上网支架、锚杆钻进平台和液压系统组成，其结构正视图如图1所示。

  (1)迈步移动支架。迈步移动支架主要由2组井型支架嵌套组合而成，每组支架由左右2个单体支架（共4个）、水平连接板以及顶梁组成了平面框架结构，4个油缸可自由伸缩，伸出时可与地面和顶板接触，实现定位。2组支架互为依托，通过安装在2组支架上的水平伸缩油缸D使之沿导轨相互滑移。

  (2)超前支架。超前支架由3组支架组成，能够实现一级、二级和三级支护，滑移时由水平伸缩油缸A、B、C控制。迈步移动支架与超前支架均串联在与巷道腰线平行的导轨上，组成一个既相互依靠，又能独立运作的结构体系。

  (3)摆动上网支架。在迈步移动支架上装有一个摆动上网支架，摆动上网支架由摆动杆、铰接座和上网架组成。工人可以在支护区将组装好的钢带和钢丝网平铺在摆动支架上，启动摆动油缸便可将钢丝网接顶支护。摆动上网支架局部结构示意图如图2所示，摆动上网支架与掘进机配套示意图如图3所示。

    (4)锚杆钻进平台。迈步移动支架上装有一个能够水平摆动的锚杆钻进平台，平台由钢结构组成，可在临时支架上的专用滑道上滑动，其上部装有锚杆钻机，锚杆钻机与支护平台由专用连接装置连接，钻机能在钢结构平台滑道内水平移动。钢结构平台下装有一个单体液压支腿，保证钢结构平台的刚度和稳定性，其上部还装有操纵座，便于工人安全操纵，平台可以实现1800的定点摆动，便于不同方位和不同角度的锚杆打眼和锚杆安装。水平摆动的锚杆钻进平台结构如图4所示。

(5)液压系统。液压系统由乳化液泵站、组合式操作阀、带安全阀的双向安全阀和管路等装置组成。其中操作阀和单向阀分别通过阀板安装在油缸连接座和支座上，乳化液泵站由乳化液泵、防爆电机、安全阀、溢流阀、压力表以及液箱等装置组成。

4工业性试验

4.1  试验巷道工程概况

  同煤集团晋华官矿南山12#层402盘区2206巷东邻870大巷，南邻5206巷，西至辅助带式输送机巷，北部为实体，上覆为9#层8206面采空区；2206巷位于870水平，地面标高为1158.2～1229.7 m，井下标高为808～916 m，煤层厚度为3.1～5.4 m，煤层倾角为80～120，煤层硬度为f=1，煤层节理中等发育；2206巷老顶为15 m厚的灰白色中砂岩，具有水平层理，直接顶为2.9 m厚的细砂岩、煤线和粉砂岩互层，直接底为5. 23 m厚的深灰色粉砂岩，水平层理发育。

4.2  工业性试验内容

4.2.1  安装检查和结构检验

  在机掘巷道新型自移式超前支架安装完毕后进行全面检查，首先是检查所有管路及阀、板、锁等连接是否正确和可靠，泵箱充液及泵压是否符合规范，进出液管及其阀、板、锁、管座等是否有渗漏，操纵阀是否灵活到位，所有执行件是否有憋卡现象。

4.2.2  试验压力和压力控制

  机掘巷道新型自移式超前支架采用的液压系统由乳化液泵站、组合式操作阀、带安全阀的双向安全阀和管路等组成。选用BRWJ20/20型专用乳化液泵站为动力源，泵站压力为20 M Pa，安全阀调定压力为22 M Pa。在试压过程中，进出液管及其阀、板、锁、管座等没有发生渗漏现象，泵站的压力稳定在15～19 M Pa，工作液的流速保持在19～21 L／min，乳化液泵站压力和流量正常。

4.2.3  三级支护总时间测定

  按照机掘巷道新型自移式超前支架的工作过程，在掘进巷道工作面后方20 m处进行了整机的动作试验，试验内容如下：

  (1)迈步移动支架(Ⅱ)前移1m支护到位所需时间测定。如图2所示，迈步移动支架(I)油缸伸出，使支架顶梁和底座分别与顶板和底板撑紧，形成带压接顶和接底初始状态（见图4）。然后推移油缸D向前推出1m(推动迈步移动支架(Ⅱ)前移1 m），并将迈步移动支架(Ⅱ)的油缸同时升出，使迈步移动支架(Ⅱ)的顶梁和底座分别与顶板和底板撑紧，形成带压接顶和接底最终状态。测定此过程需要的时间，共进行32次，平均每次时间约为34 s。

  (2)摆动网架动作及上网时间测定。摆动支架放下，人工将钢丝网插入卷筒上，再将支架摆起接顶。测定此过程需要的时间，共进行32次，平均每次时间约为55 s。

  (3) -级、二级和三级超前支架支护时间测定。如图1所示，由水平伸缩油缸A、B、C分别控制3组支架前移，由单体双伸缩油缸1、2、3控制3组支架接顶接底，实现一级、二级和三级支护。测定每级超前支架实施一次支护所需要的时间，共进行32次，平均每次时间约为21 s。

  (4)完成三级支护总时间测定。按照机掘巷道新型自移式超前支架的工作过程进行动作，即迈步移动支架(Ⅱ)推移3次，一级、二级和三级超前支架分别推移1次，摆架前移3次，并将整机复位。测定此过程需要的时间，共进行32次，完成三级循环支护的平均时间约为6.2 min。

4.2.4  顶底板局部不平整的适应性试验

  当遇到顶底板局部不平整的时候，为了试验支架的适应性，在6个月的施工期内进行了全程跟踪，局部最大的不平整度在巷道890 m的断层处，出现了30 cm的局部冒顶，采取了支柱头垫设木头的方法，保证了支架的有效支撑。该支架的适应巷道高度为3～4.5 m，当上下立柱同时收回时高度为3m，当上下立柱同时完全伸出时为4.5 m，所以该支架有很大的伸缩空间，即使有局部地方不平整，也并不影响该支架的正常运行。在整个试验期，未遇到由于顶底板不平整而致使支架不可支护的现象，这充分说明该支架对巷道顶底板不平整度的适应能力较好。另外，由于顶梁设计强度较高，顶梁即使不能全部接顶，由两端接顶或者是梁的中部接顶，支撑10 t重量的岩体梁也不会发生塑性变形，在整体巷道的试验期间，主梁未发现严重的变形。

4.2.5  巷道变坡度试验

  支架在安装初期，导轨是与巷道的腰线平行的，所以在巷道坡度不变化的情况下，支架的导轨是始终保持一个角度（巷道坡度）的，支架运行十分平稳。晋华宫矿南山12#层402盘区2206巷煤层倾角为80～120，该装置通过收回1#下立柱油缸和伸出6#下立柱油缸的方法，逐步将支架的导轨调整到新的角度，实践证明该支架具有很好的变坡能力。

4.2.6  工作面煤堆阻碍适应性试验

  为了预防超前支架被局部煤堆阻碍而不能前进，将超前支架的下支腿油缸行程设计为1m，取消了下支护油缸的调整支座，使得超前支架能够很轻松地迈过1m的煤堆，即使煤堆高度再高一点，由于是浮煤，所以支架也能很好地向前推移。

  4.2.7  接地比压试验

  为了防止立柱插入底板，对下立柱受力进行了观测，该装置底板接触压力较大，在5.14 7. 15 M Pa之间浮动。由于晋华宫矿南山12#层402盘区2206巷直接底为5. 23 m厚的深灰色粉砂岩，属于Ⅳ坚硬底板，容许比压较大，所以在整个试验期间未出现立柱插底现象，说明该支架的柱靴设计是合理的，该支护装置很好地适应了2206巷道的底板情况。

  4.2.8  锚杆操作平台系统试验

  机掘巷道新型自移式超前支架设计了锚杆钻机工作平台，实现了随机携带2台液压锚杆钻机的功能。经过半年多的现场工业性试验，证明使用锚杆钻机平台后，打一个顶板锚杆钻孔并且安装好锚杆的平均时间为3.5 min，较以往节约了1 min。打锚索平均时间为20.3 min，较以往节约了3 min。实践证明，锚杆操作平台的设计极大地减轻了工人的劳动强度，节省了工作时间，改善了掘进施工工艺，提高了支护效率。

4.2.9  上网装置试验

  机掘巷道新型自移式超前支架设计了掩护式摆架，较好地实现了支架迈步的同时便可将顶网铺设到位之目的，铺顶网的平均时间为55 s，较以往的人工铺网时间节约了5～10 min，充分说明了该设计是成功的。

4.2. 10  构件受压试验

  利用量程为20 M Pa的矿用抗震压力表对每一组支架进行了工作阻力观测，统计结果显示，支架工作阻力在12.3～17.1 M Pa之间波动，其中15 M Pa以上占了总计的72%，试验期间支架工作性能良好，未出现漏液现象，顶梁接点处未出现破坏现象，受力较为均匀，能够满足2206巷掘进工作面支护的要求。机掘巷道新型自移式超前支架在导轨上滑动较为平缓，未出现倾斜和卡轨等现象，主要构件的强度和刚度均满足了设计与使用要求。

4.2. 11  整机稳定性测定

  在整个试验过程中，未发现顶梁和导轨的大变形，未出现整机的倾斜和失稳等现象，运转十分平稳，证明该机稳定性较好。

4.2. 12  支架与掘进机的配套试验

  机掘巷道新型自移式超前支架总宽度为4684 mm，每侧占用巷道宽度不大于500 mm（包括与巷道侧帮的安全间隙距离200 mm），晋华官矿南山12#层402盘区2206巷宽度为5500 mm，采用的掘进机型号为EB2-220，长宽高为10500 mm×3200 mm×1720 mm。当支架装置骑在掘进机上时，左右两侧还分别有700 mm的宽度（与铲板的距离）供行人畅通，试验过程中掘进机可自由前进后退和左右摆动。EB2-220掘进机截割头尺寸为1046 mm×1133 mm，当该装置进行临时支护后，最前端的超前支架距掘进工作面有1200 mm的空顶，该空顶使用800 mm宽的摆架予以临时支护，一方面解决了空顶大的问题，保证了工作面的安全；另一方面解决了掘进机截割头左右摆动时碰撞超前支架的难题。在试验期间，该支架与掘进机配合自如，未对掘进机的工作效率产生任何影响，实践证明，该支架可与掘进机很好地配套使用，可挖掘现有掘进作业线的巨大潜能。

  5效益分析

  5.1社会效益

  机掘巷道新型自移式超前支架解决了煤矿巷道掘进的临时支护难题，保证了巷道顶板的稳定，促进了巷道掘进工艺的改革，提高了掘进工作效率，其技术达到了国际领先水平。应用本装置可大大减少顶板事故、避免窝工和人员伤亡，另外该技术带动了掘进巷道临时支护技术的发展．社会效益显著。

5.2  直接经济效益

5.2.1  减人提效

  机掘巷道新型自移式超前支架由于采用液压驱动，减少了作业人员，提高了劳动效率。掘进队可减员4人，每人每年工资按照6万元计算，全年可节约工人工资24万元。

  同煤集团晋华宫矿南山12#层402盘区2206巷长为1701 m，按原来进度需要202 d完工，按使用机掘巷道新型自移式超前支架后的进度为142 d完工，能够提前60 d完工，可节约人工费4万元，管理费大约可节约6万元。

5.2.2  加快掘进速度，提高掘进进尺

  同煤集团晋华宫矿南山12#层402盘区2206巷原来月进尺为252 m，实际月进尺为358. 75 m，每月提高进尺为106.75 m，掘进速度提高了42. 36%，每天比原来多掘进4m。 

每年按照330 d计算，一年多掘进1320 m，按南山12#层402盘区2206巷掘进断面19. 25 m2计算，则多出煤25410 m3，按1. 35 t／m3计算，多出煤34303.5 t，按420元／t计算，可增加收入1440. 75万元/a。原掘进队的掘进工效为0.21m/工，应用机掘巷道新型自移式超前支架后掘进队的掘进工效为0. 35 m/工，比原来提高了0.14 m/工，掘进工效提高了66.7%，经济效益显著。