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回采巷道快速掘进技术研究与应用

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回采巷道快速掘进技术研究与应用
杨宗义1 付大力2
（1。陕西陕煤黄陵矿业集团公司生产技术部；2.陕西陕煤黄陵矿业集团公司一号煤矿 陕西 黄陵 727307）

摘要：本文介绍了一号煤矿在掘进工作面使用由沈阳天安矿山机械科技有限公司生产的ZJC2X800/21/30型交错式掘进超前支护装置，并针对矿井井下实际情况，对该设备进行了技术改造，提高了掘进过程中的安全性和掘进效率。
关键词：掘进超前支架 技术应用

一、超前支护装置使用背景
掘进工作面临时支护的安全问题是长期困扰煤炭生产的技术难题，由于巷道掘进后顶板不能及时得到有效的支护，经常会造成顶板掉矸伤人事故。然而之前我们使用的是综掘机上自带的机载临时支护装置，但临时支护存在如下问题：
1.支护面积小，实现不了全断面支护。在进行锚杆支护和铺网时,人员仍处于空顶区域，存在着一定的安全隐患。
2.该装置结构强度不够,易出现断裂、开焊等情况。
3。存在着劳动强度大、操作复杂、耗时长、对顶板适应性差等弊端。
现在在黄陵一号煤矿井下试验的是该超前支护装置是沈阳天安矿山机械科技有限公司生产的ZJC2×800/21/30型交错式掘进超前支护装置，它在认真总结国内外综掘技术成果，分析研究各种掘进支架特点和使用经验的基础上并结合黄陵一号煤矿现场的使用条件而设计的，于2011年9月初开始在309进风顺槽推广使用.为了能够更好的运用好此套设备，黄陵一号煤矿生产部、机电部组织全体工程技术人员
对超前支架使用进行跟班，现场协助区队处理碰到的问题，并针对超前支架厂家的设计缺陷及结合黄陵一号煤矿现场使用条件进行了技术改造，最终满足现场使用效果。通过我们在技术方面的不断改进，目前掘进超前支架在黄陵一号煤矿已经成熟使用,并且取得了良好的效果，解决了掘进工作面临时支护安全隐患的难题.

二、超前支护装置介绍、布置、使用过程及使用效果
（一）ZJC2×800/21/30型交错式掘进超前支护装置介绍
1。交错式掘进超前支护装置特点
（1）整体框架式结构,总长约7.26米左右。掘进机完全掩护在装置下，便于掘进机作业空间、易于在掘进机机头的巷道有限空间内安装使用。
（2）实现掘进-—-无支护-—-临时超前支护—-—永久性支护的衔接过渡，在一定区域内可实现连续掘进与连续支护作业方式。
（3）永久性支护在装置下方，作业空间大且安全程度高。
（4）装置由液压系统控制能实现自移行走和各种动作。
（5）根据巷道压力情况设计支护强度，确定合理的初撑力，满足支护和移架要求,避免初撑力过大重复支撑对顶板的弊端。
（6）可按实际巷道形状（矩形或异形)及高度，设计符合要求的综掘超前支护装置。
（7）采用优化设计，确定装置的总体参数和主要部件的结构尺寸，并利用计算机模拟实验进行受力分析和强度校核，确保装置的可靠性，提高了使用寿命。
（8）移架步距大,可适用掘进、支护时间和空间的要求。
（9）整体铰接的顺梁具有很好的接顶性,顺梁及时支护掘进后新暴露的顶板.
2。超前支护装置的适用条件
(1)试用巷道掘高范围为2.6~3.3m(标高2.7m），宽度范围为4.4～4.6米。
(2）作用于装置上的顶板压力不能超过1760KN。
（3）适用巷道走向倾角不大于10°，异形巷道顶板倾角大于5°
3.超前支护装置的组成
ZJC2×800/21/30型交错式掘进超前支护装置主要由金属结构和液压元件系统组成.
金属结构有：横梁、顺梁、前梁等组成。
液压元件主要有：立柱、各种千斤顶、液压控制元件（单向阀、安全阀）、液压辅助元件（胶管、弯头、三通等）等。
4.超前支架的主要技术特征
（1)架型:ZJC2×800/21/30型交错式掘进超前支护装置
高度：2。2～3.5m
宽度：4。1，m
初撑力：P=15MPa 2×471KN（可调)
工作阻力:P=20.38MPa 2×880KN
支护强度：每组0.017MPa
泵站压力：15MPa
操作方式：手动邻架
（2)立柱:8根
型式：单伸缩
缸径：Φ100mm
柱径：Φ80mm
初撑力：P=15MPa 117KN（可调）
工作阻力：P=28MPa 220KN
行程:1555mm
（3）移架千斤顶:2根
缸径：Φ125mm
杆径：Φ85mm
推力/拉力:P=6MPa 184/99KN
行程：1000mm
（4)前梁千斤顶：2根
缸径:Φ80mm
杆径：Φ60mm
推力：P=15MPa 75.3KN
拉力:P=15MPa 32.9KN
行程：160mm
6.超前支护装置的主要机构及其作用介绍
（1)顺梁:顺梁机构直接与顶板接触，顺梁支撑顶板，是装置的主要承载部件之一.
其作用是：
①直接承受顶板压力。
②为工作巷提供足够的安全控件。
③周期来压时,顺梁接触面积较大，顺梁可有效控制顶板冒落。
（2）横梁：横梁上部与顺梁铰接，下部与立柱相连，横梁之间采用退役千斤顶连为一个整体，是支架的主要连接和掩护部件。
其作用是:
①承受支架顺梁作用的水平分力和侧向力,增强支护的抗扭性能。
②横梁与立柱、推移机构，保证装置的前进与后退。
（3）推移机构：支架的推移机构包括前梁、前梁千斤顶和销轴等组成。
其主要作用是推移装置和拉移装置。
（4）辅助支架机构：辅助支架机构包括：前梁、前梁千斤顶和销轴等组成。
其主要作用是辅助永久性支护巷道。
（5）液压系统：本支架的液压系统，由主进液管、主回液管、各种液压元件、立柱及各种用途千斤顶组成。
（6）立柱：立柱通过顶梁承受顶板的载荷，是支架的主要承载部件，要求立柱有足够的强度，工作可靠，使用寿命长。立柱结构形式为单伸缩形式，使用方便，可靠性高，便于维护。主要由缸体、活柱、导向套及各种密封件组成。
（7）移架千斤顶:位于前后两架中间的移架千斤顶由缸体、活塞、活塞杆、导向套及密封件等组成。
其作用是推移装置和拉移装置,根据所需要的拉架力和推架力确定。
（8）前梁千斤顶:前梁千斤顶位于顺梁后部,前端铰接顶住前梁,后端与横梁相接。主要由缸体、活塞、活塞杆、导向套及密封件等组成.
其主要作用是控制前梁的伸出与收回，在永久性支护过程中,钢带与网的运输和接顶。
（二）超前支护装置的总体布置图

（三）使用过程
该装置外形尺寸符合井下掘进顺槽的几何尺寸，外侧宽度4.1米，内侧宽度3.76米，最低支撑高度2.3米，最高支撑高度3.5米；该装置由立柱、千斤顶、前梁、顺梁、横梁等组成，由液压系统控制能实现自移行走和各种动作.在此装置下，能够保证掘进工作面的作业人员和掘进机始终处于安全状态，并实现了掘进-——临时超期支护--—永久支护的衔接过渡。
每循环过后,清煤工先清理立柱周围的浮煤，待浮煤清净后，泵站工开启泵站，待压力达到规定值后，在跟班队长统一指挥下,由移架工控制操作阀进行:降架、升1、3#立柱、前移、降1、3#立柱、升架接顶、降架、升2、4#立柱、前移、降2、4#立柱、升架接顶，当支架距迎头1米处时停止移架。在移架过程中，其中一组始终处于接顶状态，更好的保持了顶板的稳定性。
使用之初，由于移架工操作不熟练,对设备性能不了解，延长了移架时间，最长时间为1.5个小时，从而延长了每循环时间、影响了有效掘进时间,以至于当班进尺只有7米左右，严重影响了工人的劳动积极性.为解决以上现场难题,保证超前支护装置顺利使用，9月初，我矿决定由矿领导带队、机电部、生产部等相关部室工程技术人员现场进行技术指导，以确保超前支护使用效果。在为期一个月的驻面指导下，掘一队上下齐心协力,使得超期支护在309进风顺槽初步取得了成功,操作技术日趋成熟。
（四)超前支护装置的使用效果
1。提高循环进度
使用该装置前，回采巷道循环进度为4米，锚索梁距工作面最大距离不能超过15米,且帮锚、帮网紧跟工作面，在满足上述支护要求、设备、系统安全可靠的前提下，每班进尺8米左右，最多未超过10米。
使用该超前支护装置后,回采巷道每循环进度为5米，锚索梁距工作面最大距离不能超过25米，帮锚、帮网紧跟支架后，在满足上述支护要求、设备、系统安全可靠的前提下，每班进尺能达到10米，日进尺达20米.
2。提高月度进尺
使用该装置前，月度进尺为450米左右；使用该装置后,9月份309进风顺槽掘进进尺为535米，施工钻场28米，月进度较之前提高了10%以上。
通过使用前、后对比，得出：使用该装置后，可加快回采巷道掘进进度、提高掘进工作面单进水平，对于缓解我矿采掘接续紧张的被动局面,具有重要意义。
3。增加了安全性
该装置整体为框架式结构，总长约7。26米左右，可以保证掘进机机身、司机完全掩护在该装置下且不受破碎顶板的威胁；锚杆等永久性支护作业时,作业人员始终处于超前支护顶梁下方，作业空间大且安全程度高；移架步距大（推移步距1米），为整体排式，强度好，性能可靠，可及时支护因片帮暴露的顶板或掘进机掘进后新暴露处顶板.
立柱初撑力为11.7t,可以缓解顶板的下沉，对顶板管理有利。
4.改进钻场的施工工艺
为实现掘前预抽、解决瓦斯对掘进的影响，在309进顺的掘进过程中，每60米必须施工一个瓦斯抽放钻场。
使用该装置前,区队单班可实现：顺槽掘进4米（一循环)，并在迎头施工一个钻场，原钻场断面为:宽×深=5m×4m（参照图1、图2），受限于钻场断面，原钻场只能采用炮掘施工。施工一个原钻场，消耗支护材料：30套顶锚杆、26套帮锚杆、两套锚索梁（梁长4.6米,一梁4索)。
使用该装置后，区队单班可实现：顺槽掘进5米（一循环)，并在装置后方，机掘施工一个钻场，新钻场断面为:宽×深=5。5m×4m（参照图3)。新施工的钻场共消耗20套顶锚杆、33套帮锚杆（为了更好起到护帮作用,帮锚杆由原先的“2—1”布置改为目前的“3—3”布置）、两套锚索梁(梁长4.2米,一梁3索、梁长2米，一梁2索)、1根单锚索。

图1

图2

图3
使用前与使用后对比：
一是减少了支护材料的消耗。
二是减少了火工品的使用及火工品对人身安全的影响。火工品本身就是危险源，增加了掘进工作面不安全性，新钻场采用机掘施工,可避免了因使用火工品而发生的意外事件。
三是降低了工人的劳动强度。炮掘钻场时，综掘机只能将硐室外堆积的浮煤拾取到皮带上，而硐室里出不完的煤，只能靠人工运至皮带上；使用该装置后，综掘机能将硐室里大部分的煤拾取到皮带上，而硐室里剩余少量的煤，靠人工运至皮带上。
5。缩短劳动时间、减小劳动强度
由之前的每循环4米提高到目前的每循环5米,使之前每班三循环才能完成的进尺,现在只需两循环就能完成，可为每班节省一个小时的时间，大大缩短了职工劳动时间.使用该装置前，支护工人必须将锚杆机、支护材料搬运至迎头3次，然后回撤3次；使用该装置后，支护工人只需将锚杆机、支护材料搬运至迎头2次，然后回撤2次，减少了搬迁次数,降低了工人的劳动强度,提高了劳动生产效率。
6.循环利用,节约成本
该套超前支护装置可以在一个掘进工作面完成之后,而继续利用到下个掘进头，可以循环使用，大大节约了临时支护成本。
三、超前支护装置使用过程中存在的问题及改进方法
1.对巷道尺寸有要求.该装置宽4.1米，横梁、顺梁、前梁等金属结构件在支架的上方，因此出现了“头重脚轻”的现象,而原设计309进风顺槽宽度为4。4米,于是在移架过程中出现了支架倾向一帮并且容易破坏主帮玻璃钢锚杆和塑钢网，为此及时调整了309进风顺槽宽度，调整后为4.6米，但同时也增大了巷道的断面积。
遇到上述问题时,我们希望改进后的支架在保证支架支护强度的前提下，减轻自身重量，同时配备防侧滑装置，减少对帮锚杆的破坏.
2.使用该装置前，每循环过后帮锚、帮网都能做到紧跟工作面,且支护有效；使用该装置后，每循环过后立柱两侧不能及时进行支护，空帮时间比使用前要长。
移架过程中，因“头重脚轻”容易造成支架倾斜，所以只能保证每个循环内锚杆成排成线，无法做到所有的锚杆成排成线。
设计顶锚杆“6—6”布置，因支架原因，每循环过后每排只能支设5根锚杆，只能靠人员在移架过后及时补打锚杆。此外，因支架原因，吊挂锚杆也无法及时支设,影响了电缆的吊挂。
3.受设备的影响.该装置能够实现自移行走和各种动作,全部由液压系统的控制，该装置的液压系统由主进液管、主回液管、各种液压元件、立柱及各种用途千斤顶组成.液压系统所使用的乳化液，对浓度要求较高，所以每班必须做好班组检查工作，检查乳化泵站运行情况、油脂状况、管路衔接状况，并做好设备的保养工作。
4.对班组人员编制的影响。受装置的影响,综掘机的活动范围受到了限制，使得综掘机不能拾取支架立柱附近的浮煤,致使顺槽两帮浮煤堆积较多,这就要求移架后必须安排专人清理浮煤，与使用前比，平均每班需增加人员2名。
5。对操作人员的要求.移架工的操作水平高低，严重影响了当班的进尺情况，所以生产班必须配备操作技术熟练的移架工。
四、总结
综上所述，由沈阳天安矿山机械科技有限公司生产的ZJC2×800/21/30型交错式掘进超前支护装置设计合理、操作简单、支护强度高，提高黄陵一号煤矿机械化支护作业程度及掘进效率，缓解该矿采掘接续紧张的被动局面，降低了作业人员劳动强度，给作业人员的安全作业提供了有利保障.

二〇一一年十月十七日
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