掘进巷道超前支护研究报告鉴定材料之二黄陵矿DOC.docx

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掘进巷道超前支护研究报告鉴定材料之二黄陵矿DOC

4.3掘进巷道超前支护装备结构设计

4.3.1装置的结构、尺寸

根据309进风顺槽断面形状尺寸、巷道内设备布置方式及通风要求等，确定掘进巷道超前支护装置高度2.2～3.5m，支护宽度4.1m，支护长度为7.3m。

由于掘进头有综掘机进行掘进作业，有时还要布置通风筒等设施，为保证掘进头有足够的空间方便掘进施工组织和作业，设计的掘进巷道超前支护装置断面为框架式，占用巷道空间少。

图4-2为交错式掘进超前支护液压支架设计断面图。

图4-2掘进巷道超前支护装备断面图

该掘进巷道超前支护装置采用了两组横梁加顺梁的复合顶梁，并通过立柱支撑的框架交错式结构。

两组复合顶梁互为支撑，通过位于顶梁内的移架千斤顶相互推拉行走。

在移架过程中，两组顶梁交替支撑，始终有一组处于接顶状态；支撑顶板的一组同时也为降架的一组提供行走滑道。

同时通过两组顺梁的合理分布布置，在满足接顶支护的同时，留设了允许打锚杆作业的顺梁间隙。

采用铰接顺梁，前端设卷网和导网机构。

图4-3为设计的交错式掘进超前支护装置结构示意图。

图4-3掘进巷道超前支护备装置结构示意图

4.3.2主要机构及作用

（1）顺梁

顺梁机构直接与掘进巷道的顶板接触，对顶板形成支撑，是整套掘进巷道超前支护装置的主要承载部件之一，其主要作用包括：

●直接承受顶板压力；

●

●为巷道的掘进工作提供足够的安全空间，防止松动和冒落的顶板岩石砸伤人员和设备；

●

●同时也是自移行走时的滑道和导向机构。

●

设计掘进巷道超前支护装置的顺梁为排式交错刚性顺梁，整体铰接结构。

刚性顺梁采用高强钢板拼焊箱形变断面结构，两条主筋形成整个顺梁外形，顺梁相对较短，为整体排式，强度好，性能可靠。

顺梁还在相应的一组支架降架时，搭接在支撑顶板的一组支架的横梁上，既起到吊挂相应支架的作用，又起到滑道和移动导向的作用。

（2）横梁

横梁上部与顺梁铰接，下部与立柱相连，横梁之间采用移架千斤顶连为一个整体。

横梁结构是整个支架的主要连接和掩护部件，其主要作用包括：

●承受支架顺梁作用的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能；

●

●横梁与立柱、推移机构相连接，带动顺梁自由移动，从而实现掘进巷道超前支护装置的前进与后退。

●

另外，由于横梁承受的弯矩和扭矩较大，工作状况恶劣，所以横梁必须具有足够的强度和刚度。

本支架的横梁为整体箱形变断面结构，用钢板拼焊而成。

为保证横梁的强度，在它与立柱、推移机构连接部位都设计有加强结构。

（3）推移机构

支架的推移机构主要由移架千斤顶和销轴等组成，作用是推移整个掘进巷道超前支护装置。

（4）辅助支护机构

辅助支护机构包括：

前梁、前梁千斤顶和销轴等，主要作用是辅助掘进巷道的永久性支护作业。

（5）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。

立柱初撑力通常是指立柱大腔在泵站压力下的支撑能力。

初撑力的大小，直接影响支架的支护性能，合理地选择支架的初撑力，可以减缓顶板的下沉，对顶板的管理有利。

立柱的工作阻力，是指在外载荷作用下，立柱大缸下腔压力增压，当压力超过控制立柱的安全阀调定压力时，安全阀泄液，立柱开始卸载，此时立柱所能承受的力即为工作阻力。

（6）移架千斤顶

位于前后两架中间的移架千斤顶，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。

移架千斤顶由缸体、活塞、活塞杆、导向套及密封件等组成。

（7）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。

其主要作用是控制前梁的伸出与收回。

其主要作用是在永久性支护过程中，钢带与网的运输和接顶。

护壁千斤顶主要由缸体、活塞、活塞杆、导向套及各种密封件组成。

（8）液压系统

设计掘进巷道超前支护装置的液压系统，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。

采用快速接头和U形卡及O形密封圈连接，拆装方便，性能可靠。

在主进、回液到操纵阀之间，装有球形截止阀，过滤器，回油断路阀等，可根据需要接通或关闭某架液路，可以维修某一架胶管及液压元件，过滤器能过滤主进液管来的高压液，防止脏物杂质进入架内管路系统。

设计支架液压系统所使用的乳化液由乳化油与水配制而成的，乳化油的配比浓度为5%。

4.3.3主要结构特点

图4-4为设计交错式掘进超前支护装置实物照片，其主要结构特点如下：

图4-4掘进巷道超前支护装备

（1）支架采用四梁分前后两组Ⅰ（1、3梁）、Ⅱ（2、4梁）架的框架交错式结构。

在巷道掘进过程中相互推拉，并保证在移架过程中始终有一组梁处于接顶状态。

（2）Ⅰ架前组顺梁为前探结构形式，便于进行铺联网作业，并能够更好地支护掘进巷道的顶板。

Ⅱ架顺梁亦为分体结构，前段为前梁结构，与后两段通过销轴进行连接，此种结构形式更有利于支架随巷道纵向变化时的接顶状态。

（3）采用多柱式支撑，整体铰接的框架结构，具有较好的稳定性，且初撑力较小，易于顶板的控制。

（4）保证综掘机始终在掘进巷道超前支护装置下作业，有效地保证了作业人员和设备的安全；并且作业人员在有掩护的情况下，可全方位、多角度地同时对巷道顶板及两帮进行永久性支护作业，支护效率得到了提高。

（5）临时支护紧跟掘进工作面，巷道实现一次性支护。

根据巷道压力情况设计的支护强度，配合安设的调压阀组，确定合理的支架初撑力，满足支护和移架的要求；避免了初撑力过大时，支架反复支撑对顶板的破坏。

（6）采用独立的立柱连接形式，这样不仅节省了支架的内部空间，还缩短了顶梁的控顶距离，能够在移架过程中起到稳定支架的作用。

（7）Ⅰ架顺梁上设置有前梁千斤顶，适当的缩小了前部立柱空间，显著减少了前探梁低头的现象。

在前、后组移架过程中，顺梁处于接顶状态，起到辅助推架和拉架以及支撑的作用。

前、后两组框架通过移架千斤顶和相互依托的导向装置相连接，更适合支架的直线运动，且稳定性较好。

（8）为了便于支架的运输、安装和拆卸，连接横梁采用单根布置方式；并且在满足工阻要求的前提下，支架所有结构件的外型尺寸应尽可能的小，所以将前梁、顺梁、横梁以及立柱、千斤顶等设计成长度较短、重量较轻的结构形式。

（9）由单独配置的乳化液泵站提供掘进巷道超前支护装置的动力，通过对操作手阀的控制，实现支架的自移行走和各种动作。

4.4支架主要技术参数

支架高度：

2.2～3.5m

支架长度：

7.26m

支架宽度：

4.1m

额定工作阻力：

（P=28MPa）2×880KN

初撑力：

（P=12MPa）2×376.8KN

支护强度：

（平均）0.13MPa

对底板比压：

（平均）3.62MPa

推移步距：

1000mm

适应巷道倾角：

≤12°

立柱

缸径：

Φ100

柱径：

Φ80

行程：

1555mm

初撑力：

（P=12MPa）94.2KN

工作阻力：

（P=28MPa）220KN

数量：

8根

移架千斤顶

缸径/杆径：

Φ125/Φ85

行程：

1000mm

推力/拉力：

（P=12MPa）147.2/79.2KN

数量：

2根

前梁千斤顶

缸径/杆径：

Φ80/Φ60

行程：

160mm

推力/拉力：

（P=12MPa）60.2/26.3KN

数量：

5根

4.5强度、移架力等验算

4.5.1支护强度验算

装置为平顶巷道矩形断面刚性支护构件。

（1）初撑力验算

工作面煤层伪顶在部分区域分布，岩性为炭质泥岩，随掘随冒，一般厚度小于0.1m。

支护范围内，随掘随冒伪顶岩层荷载为：

Q=bLBγ

其中γ－岩体容重，27KN/m3

b－岩体厚度，取0.3m

L－支架长度，7.3m

B－巷道宽度，4.6m

Q=0.3m×7.3m×4.6m×27KN/m3

=272.0KN

装置的初撑力P=376.8KN，大于岩层载荷272.0KN。

满足使用要求。

（2）工作阻力验算

巷道内装置所应承载的顶板岩石破碎带高度按普氏免压拱高计算：

普氏免压拱高:

b=B/2f顶

式中：

B——巷道掘进跨度，B=4.6m

f顶——顶板岩石普氏系数，f顶取3.2

b=4.6/（2×3.2）=0.719m

故岩石破碎带高度为0.719m。

则在L=7.3m的支护范围内，顶板的最大载荷为：

Q=bLBγ

其中γ－岩体容重，27KN/m3

Q=0.719m×7.3m×4.6m×27KN/m3

=652.0KN

装置的工作阻力P=880KN，大于最大载荷652KN。

满足使用要求。

4.5.2移架力验算

前后两组架连接和移动由移架千斤顶控制，推架和拉架时两个千斤顶共同作用，整个支架重量约为10t，其中前组架重量约为4t、后组架重量约为6t。

拉架力（P=12MPa）

P推=147.2KN×2=294KN=29.4t

P拉=79.2KN×2=158KN=15.8t

P实推拉=6t×0.2=1.2t

P反阻力=94.2×4×0.2=75.4KN=7.6t

满足移架及拉架的要求。

4.5.3供液方式和容量验算

立柱缸径=φ100mm；行程L=1555mm；数量8根

L立总=π×r2×L×n

=3.14×502×1555×8

=97654000mm3

移架千斤顶缸径=φ125mm；行程L=1000mm；数量2根

L移总=π×r2×L×n

=3.14×62.52×1000×2

=24531250mm3

前梁千斤顶缸径=φ80mm；行程L=160mm；数量5根

L前总=π×r2×L×n

=3.14×402×160×5

=4019200mm3

L总=L立总+L移总+L前总=126204450mm3=126.2L

所有千斤顶都处于满负荷工作状态。

图4-5模型边界条件图

4.6掘进临时支护工艺研究

传统掘进与永久支护的工艺顺序大致为：

掘进机掘进1m左右，停机，工人到迎头铺网，打锚杆支护。

本项目通过研究，将掘进与永久支护之间用临时支护设备加以过渡，采用掘进巷道超前支护装置配合掘进机，及时地对顶板进行临时支护；并根据顶板和围岩的具体条件，在掘进巷道超前支护装置的下方进行打锚杆等永久支护。

309进风顺槽的掘进采用“三·八”制作业，“零点班、四点班”正常生产，八点班进行设备检修；循环进度5m，日循环个数4个，日进尺20m。

正常掘进时，掘进巷道超前支护装置支护掘进工作面的顶板，综掘机割煤后，打锚杆等永久支护完全在临时支护装置的掩护下进行作业。

完成一个循环后，操纵液压控制系统，使掘进巷道超前支护装置向前移动，支撑底板，为下一循环做准备。

表4-3正规循环作业图表

309进风顺槽采用EBZ160型掘进机，沿煤层顶底板掘进并自行完成装煤运煤。

掘进机采用横向往复式截割，截割时将截割头调至巷道中，由巷道下部开口进刀，割出横槽，然后由下向上截割，进刀深度为0.8m，若截割断面与设计尺寸有差别，可进行二次修整。

操作流程：

在巷道掘进过程中，在顶板较平整且相对稳定（无掉矸或有少量掉矸）的情况下，掘进机掘进一个循环步距5m；掘进结束后，掘进机后退，并前移掘进巷道超前支护装置，装置移动前作业人员须先将顶网联好，以便在超前支护装置前移过程中实现自动铺顶网；待掘进巷道超前支护装置移动到位后，开始进行顶板以及两帮的永久支护；永久支护作业完毕之后，掘进机拖拽皮带前行，准备进行下一工艺循环。

若掘进时遇到断层等地质构造，造成顶板破碎、易掉矸的情况，工