掘进巷道挡矸护顶可移动式支架设计应用

郝 莹

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概 述

麻家梁矿一采区可采煤层为山西组4#煤层，煤层平均厚度为3.5m，属于石炭系煤层，井田内煤层成东西走向，煤层内夹杂两层平均厚度为0.6m矸石，煤层不稳定并伴随着群断层发育。14105运巷位于一盘区东翼，巷道东西方向布置，巷道设计长度为1370m，为矩形断面，巷道断面规格为宽×高=4.2×3.5m，14105运巷由山西宏宇诚铸建设工程有限公司矿建工程队从+665m辅助运输巷开口施工并沿4#煤层底板平行掘进，施工巷道顶板无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为4.8m，岩石普氏系数f=3.5，受巷道开挖过程中“三应力”（围岩应力、采动压力、构造应力）影响，该岩石层会出现破碎、冒顶现象；基本顶主要以粗粉砂岩为主，平均厚度为8.4m。

根据麻家梁矿地测科提供资料显示，14105运巷掘进至450～504m段共揭露4条正断层（F5、F6、F7、F8），断层平均落差为1.2m，断层平均倾角为55°，受断层群影响施工巷道掘进至450m处顶板开始出现局部破碎现象，随着巷道不断开拓延伸，巷道掘进至472m顶板出现大面积破碎且伴随着局部冒顶现象，传统的锚（索）网支护效果差且支护失效严重，威胁着施工巷道安全高效施工。对此，山西宏宇诚铸建设工程有限公司矿建工程队通过技术研究，设计了一套挡矸护顶可移动式新型支架，并在14105运巷470～504m段进行应用。

2 挡矸护顶可移动式新型支架结构及工作原理

2.1 支架组成部分

（1）挡矸护顶可移动式新型支架主要由支架腿、顶梁、护帮板、护顶板、移动滑道、液压杆、加固连接杆，小型乳化液泵、操作控制台等部分组成，如图1所示。

（2）由于14105运巷为矩形断面，巷道中使用的挡矸护顶可移动式支架设计为矩形，支架腿高度为2.5m，支架腿主要由高强度锰钢制成。

（3）棚腿内安装双向液压支撑杆，液压杆最大拉伸长度为2.0m，双向液压杆上端与顶梁连接，通过乳化液作用可升起或下降顶梁，双向液压杆下端与固定液压支撑杆连接，通过乳化液将弹簧压缩打开固定液压支撑杆，从而对支架起到支撑稳定作用。

（4）每根棚腿左右各安装四个护帮板，护帮板主要由厚度为10mm钢板制成，每块护帮板规格为长×宽=0.7×0.5m，相邻两护帮板之间采用固定连接杆连接。

图1 掘进工作面挡矸护顶可移动式新型支架

（5）支架护顶部主要由护顶板、顶板液压支撑杆以及顶梁等部分组成，顶梁左右各安装三块护顶板，护顶板主要由厚度为10mm钢板制成，每块护顶板规格为长×宽=1.0×1.2m，每块护顶板通过顶板液压支撑杆与棚腿连接。

（6）各个支架底部安装三个滑轮并卡扣在滑道内，每节滑道长度为2.0m，滑道与滑道间采用卡槽对接，滑道内每隔0.5m安装一个手动挡矸，如图1所示。

（7）相邻两支架底部采用行走双向液压杆进行连接，该液压杆主要作用是通过乳化液可拉伸或收缩相邻两支架距离，最大拉伸距离可达2.5m，从而达到支架移动的目的。

（8）操作控制台一端通过乳化液管与支架内各个液压杆进行连接，另一端与小型乳化液泵相连，整个支架升降、护顶、移动等动作主要由高压乳化液进行控制。

2.2 工作原理

（1）首先安装支架滑道，滑道安装在巷道两帮底板处，在安装滑道前应将底板浮煤清理干净，必要时对底板进行起底、浇筑、整平，确保滑道安装后平整，10m范围内滑道坡度变化不得超过±3°。

（2）待滑道安装后将支架腿与滑道对接安装，并将固定液压支撑杆、双向液压支撑杆乳化液管与操作控制台连接，棚腿安装后及时打开乳化液泵使固定液压支撑杆打开使之固定。

（3）支架腿安装后将支架护顶部与其对接安装，当第一架支架安装后开始安装第二架支架，两支架安装工艺相同，依次类推直至所有支架安装完成，2106巷断层群破碎区域共计安装支架20架。

（4）所有支架安装后相邻两架支架之间采用行走双向液压杆进行连接，安装后将所有液压杆乳化液管与操作控制台进行连接并通液。

（5）第一架支架固定不动，从外向里移动第二架支架，第二架支架在行走双向液压杆作用下移动2.0m后停止移动并固定，第二架固定后开始移动第三架支架，移动距离为2.0m，第三架支架移动到位并固定后移动第四架支架，依次类推直至所有支架移动到位。

（6）所有支架移动到位后通过操作控制台控制双向液压支撑杆依次升起支架护顶部，支撑压力不得低于15MPa，支架护顶部升起后利用顶板液压支撑杆依次升起护顶板并使之接顶。

（7）支架护顶板打开后采用人工手动依次打开各个支架护帮板，整个支架是利用操作平台进行控制操作的，操作平台具有液晶显示器及报警指示灯，当支架出现不接顶、移动以及倒架时液晶显示器能够直观地显示出支架序号并报警。

（8）综采工作面形成后回采过破碎区域且支架逐渐被甩入采空区时，可通过操作控制台依次移动支架进行回收，回收支架时从里向外且施工人员站在支架控制区域内。

3 挡矸护顶可移动式新型支架应用效果分析

挡矸护顶可移动式新型支架在14105运巷断层破碎带处应用3个月后，通过观察发现，该支架主要具有以下优点：

（1）成本费用低，便于维护。挡矸护顶可移动式新型支架操作简单，结构原理简单便于检修维护，成本费用低，每架支架生产成本费用仅为5000元，与传统注浆、架棚支护相比14105运巷可节约支护成本费用达30万元。

（2）支护效果好。与传统人工架棚、人工假顶以及单一锚（索）网支护相比，该支架支护效果最好，利用液压作用使支架支撑力得到设计值并保持不变，同时利用护顶板、护帮板可有效遏制顶板冒落、煤壁片帮现象，该支架应用后通过对14105运巷破碎带顶板观察发现，顶板未出现下沉、变形现象，有效提高了顶板稳定性。

（3）适用性强。挡矸护顶可移动式新型支架不仅可在掘进巷道中应用，而且可在无煤柱回采工作面中应用，适用性强，该支架可回收进行二次利用。

（4）劳动强度低。支架安装后在操作过程中只需2～3人即可完成，与传统架棚支护相比大大降低了劳动强度，节约了劳动成本费用。

（5）通过在14105运巷应用中观察发现挡矸护顶可移动式新型支架还存在一些不足，主要表现在以下几方面：支架护帮板重量大，人工操作相对困难；支架在移动时滑倒经常出现倾斜、移位等现象；当安装支架数量超过15架时乳化液泵泵站压力出现不足现象；当顶板压力加大时支架护顶板液压杆出现泄压现象等。

4 结语

山西宏宇诚铸建设工程有限公司矿建工程队对一采区14105运巷断层群破碎区域采用挡矸护顶可移动式新型支架进行维护后，不仅有效遏制顶板冒顶、破碎、离层等现象，提高了施工巷道顶板稳定性，而且比传统的人工假顶、架棚支护效果好，操作简单，劳动强度低，取得了显著应用效果。