掘进巷道移动挡矸支架设计与应用

韩 征

（大同煤矿集团雁崖煤业公司，山西大同 037003）

0 引言

大同煤矿集团雁崖煤业公司2105巷位于三盘区北部，巷道东部为实煤区，南部为采区边界煤柱，西部为盘区大巷，北部为5105巷。2105巷掘进长度为1 200 m，巷道为矩形断面，巷宽为4.5 m，巷高为3.5 m，施工巷道顶板采用锚杆、锚索、JW型钢带联合支护；2105巷掘进煤层为二叠纪下统山西组4#煤层，平均厚度为3.5 m，煤层直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为2.1 m，基本顶主要以灰岩为主，平均厚度为12.4 m，巷道由机掘二队采用综合机械化掘进工艺。

根据矿地测科提供资料显示，2105巷掘进至520 m处揭露一条正断层F4，断层落差为1.4 m，倾角为52h，受断层影响，巷道掘进至510 m处顶板出现破碎、冒落现象，形成断层破碎带，预计长度为28 m，在断层破碎带处对顶板施工永久支护难度大，支护效果差，不仅降低了巷道掘进效率，而且威胁着施工安全。对此，设计了一套挡矸护顶移动支架，并进行应用。

1 挡矸护顶支架结构及工作原理

1.1 支架组成部分

挡矸护顶移动支架主要由护帮板、护顶板、支架腿、顶梁、滑道、折叠梁，双向液压支撑杆、远程控制室等部分组成，如图1所示。

支架腿共计2根，为中空高锰钢结构，设计长度为3.0 m，在其内部分别安装双向液压支撑杆、弹簧等，双向液压支撑杆上端与支架顶梁固定，下端与弹簧固定，双向液压支撑杆通过液压作用进行伸缩动作[1]，最大伸缩行程为1.0 m。

通过双向液压支撑杆伸缩上端可使支架护顶部与顶板接触，下端通过压缩弹簧可使固定液压支撑杆进行伸张动作，从而达到稳定支架目的。支架腿两侧各安装4块护帮板，主要由5 mm钢板制成，每块护帮板规格为长 宽=0.8 m 0.4 m，相邻两块护帮板通过折叠梁与棚腿进行连接[2]。

图1 掘进巷道挡矸护顶支架结构示意图

挡矸护顶移动支架护顶部是由护顶板、顶板液压支撑杆以及顶梁3部分组成。护顶板的材料选用厚度为20 mm高强度锰钢制成，护顶板规格为长 宽=1.5 m 0.8 m，相邻护顶板之间通过顶板液压支撑杆与支撑腿进行连接。每架支架腿底部安装3个滑轮，滑轮安装在滑道上从而实现支架移动动作[3]，每节滑道长度为3.5 m，相邻两节滑道采用两块夹板连接，在滑道内每隔1.0 m安装一个挡矸。相邻两架支架之间采用一根行走双向液压杆进行连接，行走双向液压杆为液压制动模式，液压管路与乳化液泵连接；双向液压杆的最大伸缩长度为3.0 m，可通过液压杆伸缩完成支架前后移动动作。

远程控制室主要由主机监控系统，支架操作系统、乳化液泵等部分组成，支架所有液压部件通过液管与乳化液泵连接，通过支架操作系统可对支架完成各项动作。

1.2 工作原理

首先将滑道安装在巷道底板处，滑道安装时必须保证底板平整，底板允许最大坡度不得大于i 5h，必要时必须对安装滑道底板进行起底浇筑整平[4]。

滑道固定后将支架腿与其对接安装，首先将固定液压支撑杆、双向液压支撑杆等液压管路与乳化液泵进行连接。待棚腿安装后，通过操作台控制打开乳化液泵，使固定液压支撑杆在液压作用下进行支撑固定。

固定液压支撑杆固定后将护顶部与支架腿进行对接安装，依次类推，由于2105巷破碎区长度为28 m，而每架支架支护最大长度为3.0 m，所以2105巷共需安装10架挡矸护顶移动支架。

在使用时首先通过控制室操作，是第一架与第二架支架之间的双向液压杆进行伸缩动作[5]，使第一架支架前移到位后并进行固定，以此类推，直至所有支架移动到指定位置。支架到位后通过控制双向液压支撑杆上移推动顶板液压支撑杆，从而使支架两侧支撑板升起并与破碎顶板接触严实，通过控制室控制支撑板对顶板支撑压力不得低于25 MPa。护顶动作完成后，通过人工护帮板操作阀组，使支架两侧护帮板与巷帮接触严实。

挡矸护顶支架移动、护顶、护帮等动作主要通过远程控制台进行操作，施工人员可通过控制室内远程监控系统对支架位置、支撑高度、支撑压力、故障等参数进行实时监测。

2 挡矸护顶移动支架优缺点及应用效果分析

2.1 支架优缺点

（1）成本低，维护方便。由于该支架成本相对较低、结构简单，而且能够进行二次回收[6]，每台支架的成本大约为1.4万元，与传统的注浆及假顶方式相比，能够节约费用约21万元。

（2）支护效果好。该支架利用乳化液泵对液压杆进行控制，不仅能够保证支架支撑力不变，还能有效防止控制冒落、煤壁片帮现象，与传统的注浆及假顶方式等支护方式相比，该支架在2105巷破碎区域应用过程中，未出现顶板下沉及煤壁片帮的情况，提高了巷道的稳定性。

（3）实用性强。由于该支架体积较小、重量轻，能够广泛地应用在复杂地质条件的采掘工作面中，而且还可用于隧道、桥梁等工程施工中，应用区域广，实用性强。

（4）劳动强度低。由于该支架的操作简单，只需两人就可完成对支架的操作，与传统的注浆及假顶方式等支护方式过程相比降低了工人的劳动强度及劳动费用[7]。

（5）该支架使用中还存在以下不足：巷道空间小，设备无法进行搬运而人工搬运难度大；支架在受压过程中，由于受力不均匀常常出现倾斜现象；由于配套的乳化液泵压力不足[8]，支架支撑力达不到标准。

2.2 实际应用效果分析

截止2018年9月14日，2105巷已完全过断层破碎带，通过对断层破碎带处挡矸护顶移动支架应用效果观察发现，该支架在使用过程中可对顶板、煤壁矸石进行有效阻挡，避免了因坠落矸石砸坏设备及砸伤施工人员等事故，机电事故率降低至2%以下；同时巷道破碎带处采用支架支护后，控制了顶板下沉、破碎现场，顶板最大下沉量控制在0.15 m以下，提高了顶板锚杆、锚索支护效果，支护失效率降低至3%以下，提高了破碎顶板稳定性。

3 结束语

针对2105巷过断层破碎带时顶板稳定性差，支护失效率高，顶板维护难度大等技术难题，设计了一套掘进巷道挡矸护顶移动支架，通过实际应用效果观察发现，该支架自动化水平高、操作简单、故障率低，可对顶板破碎、下沉现象进行有效控制，应用效果好，得到了一致认可，并在其他煤矿类似地质条件采掘工作面进行应用，具有显著应用前景和推广意义。