1、煤矿井下岩巷工作面气动式前探梁临时支护的研究 荆刚 李社勋 艾灿标 义煤集团永兴工程有限责任公司 摘 要： 通过对煤矿井下岩巷工作面传统前探梁临时支护长期存在问题的研究, 受气动式自动风门和保险梯的启发, 经过不断研发, 解决了动力来源、气动装置、前探梁材质等问题, 设计和制作出了气动式前探梁临时支护装置, 通过工程项目现场试运行, 解决了传统临时支护存在的问题, 保证了顶板的安全管理, 降低了劳动强度, 保护了作业人员的人身安全, 体现了机械化作业的先进性和实用性, 在同类型支护巷道施工过程中具有较好的推广意义, 在非同类型支护巷道施工中具有很好借鉴意义。关键词： 岩巷; 气动; 前探梁;
2、临时支护; 研究; 先进; 实用; 作者简介：荆刚 (1986-) , 男, 矿建工程师, 矿业工程注册一级建造师, 本科, 2009 年毕业于中国矿业大学矿山建设专业, 主要从事矿山工程技术管理工作。收稿日期：2017-8-8Study on temporary support of pneumatic front beam for rock roadway working face in coal mineGang Jing Li Shexun Ai Canbiao Yi coal group Yongxing Engineering Co., Ltd.; Abstract： the tr
3、aditional work of underground coal mine roadway surface forestope temporary support problem of air operated automatic door, inspiration and insurance ladder, after continuous development, solve the power source, pneumatic device, beam material problems such as exploration, design and production of a
4、 pneumatic exploration beam temporary support device, through the project site commissioning, to solve the traditional problems of temporary support, to ensure the safe management of roof, reduce labor intensity and protect the personal safety of the operating personnel, reflects the advanced mechan
5、ical operation and practicability, has good popularization significance in the same type roadway construction process, in the same type of roadway construction has a very good reference.Keyword： rock roadway; pneumatic front beam; temporary support; advanced and practical; Received： 2017-8-81 引言煤矿井下
6、工作面支护按照服务时间长短分为永久支护和临时支护。永久支护是根据设计图纸规定施工的支护, 主要分为锚喷支护 (锚网喷、锚网) 、架棚支护、砌喧支护以及其他联合支护, 施工工序占用作业循环时间较长, 除架棚支护外, 一般不再回收复用。临时支护是指在工作面开挖后, 在进行永久支护之前, 为了防止顶帮掉碴或片煤, 采取措施支护顶板, 使施工得以继续进行的一种暂时的支护方式, 主要目的在于保证在永久支护施工过程中作业人员的安全;施工工序占用作业循环时间非常短, 一般不超过 15min, 仅服务在永久支护整个作业时间段内, 且一般均可重复实用;目前主要分为打点柱、液压支柱、前探梁、机械伸缩柱等临时支护方
7、式。两者相比, 均是顶板管理的关键环节, 而临时支护是在敲帮问顶之后, 是在永久支护之前对顶板进行安全管理的第一道工序, 故采用何种安全、可靠的临时支护来确保现场作业人员安全和避免顶板事故发生是施工的关键。2 提出问题临时支护方式中, 打点柱、液压支柱、机械伸缩柱时人员要在裸露的围岩下施工, 一旦顶板出现掉碴现象, 容易发生顶板事故, 安全性得不到保障;目前煤矿井下的机械式前探梁临时支护在架棚巷道实用性较强, 具有临时支护顶板和辅助架设棚梁的作用。但是在岩巷工作面实用性较差。因岩巷工作面一般支护方式为锚网或锚网喷支护, 前探梁临时支护主要采用 型梁, 通过锚杆或者锚索进行吊挂, 材质笨重, 操
8、作繁琐, 前移困难, 且正头不能接紧接实顶板, 遇到巷道超挖时需背设足够数量的半圆木或大头楔, 正头相当于一个“#”字型木垛, 绞架人员作业时暴露在裸露的顶板下, 安全性得不到有效保证。根据煤矿井下岩巷实际施工情况, 借鉴井下常用的气动式保险梯的工作原理, 研制一种气动自移式前探梁临时支护装置, 通过人工调节按钮控制伸缩长度和距顶高度, 同时解决吊挂问题, 避免放炮时拆除。3 解决问题及研发内容3.1 解决问题针对义煤公司企业内部目前岩巷工作面临时支护情况, 研制一种气动自移式前探梁临时支护装置。主要需解决和研究的内容如下:(1) 解决目前岩巷工作面临时支护装置笨重, 且安装、拆卸和移动困难的
9、问题。(2) 解决目前岩巷工作面临时支护装置安拆、移动要求人数较多的问题。(3) 解决目前岩巷工作面临时支护装置前端不能接紧接实顶板问题, 需要背设半圆木或绞架成“#”字型木垛问题。(4) 解决目前岩巷工作面临时支护装置前端背设达到接顶目的时, 作业人员要在裸露的顶板下操作造成不安全隐患的问题。(5) 通过采用气动式前探梁临时支护, 为井下开掘工作面实现自动化操作起了一定的推动作用。3.2 研发内容根据煤矿井下岩巷工作面环境、设备布置、动力来源等情况, 结合需要解决的实际问题, 气动式前探梁临时支护需要研发的内容如下: (1) 动力来源的确定; (2) 气动装置的确定; (3) 前探梁材质的选
10、配; (4) 气动装置与前探梁如何结合能实现自由移动; (5) 管路的安装; (6) 吊挂方式的设计。4 研发过程4.1 动力来源的确定根据煤矿井下岩巷工作面的实际情况, 主要动力来源为电动和压风管路风压, 其中以风动作为动力来源的设备占大多数, 例如风动凿岩机是煤矿井下岩巷工作面最常用的凿岩设备, 还有风镐等;而以动力电作为动力来源的主要为照明或耙斗机电机, 电压 127V、380/660V。通过市场调研, 发现以电动作为动力来源推动前探梁实现自移的设备或者元件十分稀少, 即使有价格也十分昂贵, 且用电本身电费就增加成本, 同时电动元件操作要求较高, 作业人员必须具备一定的电气知识, 否则极
11、有可能因为误操作而使之损坏。另外, 受煤矿井下大巷内自动连锁风门以及气动保险梯的启发, 经过现场多次踏勘, 决定采用以风压作为动力来源来确定推进前探梁移动的设备第一条件。4.2 气动装置的确定气动装置的确定, 主要通过市场调研以及网络搜索, 通过结合煤矿井下的气动保险梯的工作原理, 决定选用气缸作为气动装置。气缸是引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件, 主要工作原理是将压缩空气的压力能转换为机械能, 驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。该装置重量轻便, 原理及结构简单, 易于安装维护, 对于使用者的要求不高, 同时可根据选用前探梁的材质重量来订做。气缸的动力介质为空气, 较之液压
12、介质来说不易燃烧, 故使用安全。工作介质是取之不尽的空气、成本较低。排气处理简单, 不污染环境, 成本低。输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般小于1m/s, 比液压和电气方式的动作速度快。全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力, 在高温场合也可使用。具体如图 1 所示。图 1 气缸示意图 下载原图4.3 前探梁与气缸构件的匹配、以及材质选择动力来源和气动装置确定后, 采用何种材质的前探梁能够和气缸相匹配来实现自移功能, 材质如果太轻则不能满足工作面正头顶板来压或片落碴块的重量冲击;而太重则悬吊和移动困难。同时气缸本身较为脆弱, 在推动前探梁前移过程中, 如果暴露在外面, 顶板落碴
13、时则容易损坏伸缩缸体, 所以考虑前探梁能够保护气缸, 且能实现前后直线自由伸缩。经过研究, 排除各种因素的干扰, 决定采用空心方钢作为前探梁来实现与气缸的匹配工作。空心方钢分为 2 节, 规格不同但相匹配, 能实现自由组合, 即大型号可将小型号的方钢套进去。外层大规格方钢作为母钢, 可固定和保护气缸装置, 也可接收前探方钢的回缩;内层小规格方钢作为自由伸缩梁, 内层方钢前端封闭且留孔, 气缸伸缩部分前端与内层方钢前端封闭铁板通过螺母连接、固定。如此可满足承重, 也可保护气缸, 材质也可实现一个人吊挂操作, 同时可实现自由移动。4.4 管路的安装气缸考虑固定在前探梁母钢内部, 压风管路该如何与气
14、缸相连是必须考虑的问题。通过对气缸缸体风管接口位置的观察和研究, 决定在母钢后半部位置上端开孔与气缸连接。4.5 吊挂方式的设计结合目前煤矿井下的前探梁吊挂装置, 架棚巷道主要是前探梁卡子, 锚喷巷道主要为吊环, 不适合空心方钢。故经过数次设计和考虑, 结合锚杆支护的特点, 决定用锚杆作为吊挂装置。锚杆一端焊接螺帽, 与顶板上锚杆固定, 另一端与前探梁固定。固定时, 每个前探梁配 2 个吊挂锚杆装置, 一前一后, 前端加工特质 U 型卡槽, 上端开孔镶焊螺帽连接吊挂锚杆, 卡槽能容纳整个方钢, 卡槽两耳下部开孔用圆钢固定方钢;后端支架在母钢封闭钢板上焊接钢板, 中间开孔, 穿过锚杆用螺帽固定。
15、具体见图 2、图 3。图 2 前探梁前端吊挂示意图 下载原图图 3 前探梁尾端吊挂示意图 下载原图4.6 气动式前探梁材料构件配备一览表 (见表 1) 表 1 设备配备明细表 下载原表 4.7 整体配套效果 (见图 4) 图 4 整体配套效果示意图 下载原图1-悬挂耳子;2-气缸固定板;3-母钢;4-伸缩气缸;5-伸缩梁;6-固定伸缩杆体螺母;7-固定卡具5 现场应用5.1 应用效果分析该项气动式前探梁临时支护装置研发完成后, 通过公司内部修造厂加工制作了3 套 (够一个岩巷工作面使用) , 在公司云顶项目部 13 采区回风下山投入试运行。该巷道设计全长 1123.9m, 支护形式为锚网喷支护
16、, 断面 S 掘 =19.9m, 施工坡度为首先沿-25掘进 139m, 以-6掘进至停掘位置。试运行时, 工作面正头布置 3 根前探梁, 1 个在拱部正中位置, 另外 2 个在拱部两侧, 分别吊挂在顶部锚杆上。每班放炮结束后, 首先进行敲帮稳定工作, 然后人工调节气动控制按钮使前探梁缓缓移至正头距离煤墙壁约 50mm, 手动调节尾部锚杆螺帽, 控制尾端距离顶板的距离, 同时观察前端伸缩部分距离顶板的距离, 直至贴紧巷道顶板为准。另外伸缩部分长度不够伸缩至正头时, 首先在前方合适位置增加一套吊挂固定卡具, 然后卸掉尾部吊挂部分, 然后推动增加的卡具位置, 再在后面新的位置固定尾端, 上紧螺母。
17、如此重复循环进行施工, 既保证了顶板的安全管理, 又降低了劳动强度, 较之传统前探梁装置减少了炮后向前移动的时间, 提高了整个作业循环的效率, 是机械化施工的体现。同时通过对现场操作人员的采访, 均认为该项装置研发合理, 实用性强。获得了云顶煤矿 (建设单位) 的认可, 其他区队纷纷前来学习, 得到了一定程度的推广。5.2 注意事项(1) 如巷道爆破后出现超欠挖现象, 特别出现超挖现象造成前探梁前端伸缩部分无法紧贴顶板, 可以背设整根半圆木, 圆木厚度视距顶高度而定。(2) 前探梁吊挂位置不能满足伸缩距离时, 移动吊挂位置时, 如果下山施工正头严禁有人, 可在爆破后堆积的碴堆上操作。(3) 现
18、场人员操作按钮控制前探梁装置向前伸缩时, 注意距正头煤壁距离, 严禁加压触碰煤壁, 造成压力过高损坏管路和气缸。(4) 井下施工时, 交接班期间定期进行维修, 检查管路情况, 同时及时对空心方钢结合处抹油润滑, 确保运行正常。6 结语煤矿井下岩巷工作面气动式前探梁临时支护装置的研究, 解决了传统岩巷工作面临时支护存在的弊端, 保证了顶板的安全管理, 降低了劳动强度, 消除了作业人员在爆破后站在裸露顶板下进行临时支护造成的不安全隐患, 保护了施工人员的人身安全, 较之传统移动前探梁的方式实现了临时支护机械化。结合现场应用情况, 该装置适合不同坡度的应用, 试验运行后获得各方认可, 在矿方区队进行
19、了一定程度的推广, 且反映效果较好。故在同类型支护设计岩巷施工中, 具备良好的推广意义, 在非同类型支护巷道施工中, 具有很好的借鉴意义。参考文献1国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程M.北京:煤炭工业出版社, 2016. 2李志强, 王树璞, 李变荣.掘进工作面临时支护设备的现状与发展J.煤炭科学技术, 1997 (9) :41-44. 3李秋生, 王亮亮, 张晓静, 等.巷道临时支护设备的研究J.煤矿机械, 2014, 35 (2) :119-121. 4东兆兴, 吴良士.井巷工程M.徐州:中国矿业大学出版社, 2009. 5吴克瑞.炮掘巷道临时支护的开发研究D.太原理工大学, 2011. 6孙朋.简易掘进支架临时支护在炮掘工作面的应用J.煤炭工程, 2012, 1 (10) :26-27.
