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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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，工作面须短掘短支，循环进尺缩短为2m。

一个循环结束后，由专人进行敲帮问顶（作业人员必须在掘进巷道超前支护装置的可控范围内操作），将两帮及顶部的片帮煤、活矸处理干净，随后再挂网并将超前支护装置前移。

在构造带内，因局部顶板破碎、掉矸等原因造成的顶板不平整，致使掘进巷道超前支护装置顺梁的着力点较少，迈步前移较为困难的情况，可采取：

（1）适当减小装置的移动步距（步距为0～1m，范围可调），使顺梁能够有较多接触着力点；

（2）必要时可在顺梁与巷道顶板之间垫加枕木，给予顺梁更多的着力点，从而保证整个掘进巷道超前支护装置的支撑有力、平稳，并能够稳步前移；

（3）加快装置的移架速度，尽快完成铺网作业，装置移动一个循环步距后，及时有效地进行永久支护。

顶锚杆、帮锚杆支护须紧跟工作面进行，锚索梁支护则紧跟装置尾部；

（4）顶板破碎时须加强顶板的支护，适当地缩小锚杆、锚索梁的间排距，确保装置移过之后顶板支护的安全。

在掘进巷道超前支护装置操作过程中，应注意：

●立柱降柱的标准为支架的顺梁刚刚脱离顶板，能顺利移架为宜；

●立柱的初撑力根据巷道情况而定，参考压力表读数及移架力的要求进行合理调整；

●在支架的推进和支护过程中应时刻注意顺梁的接顶状态。

图4-7掘进状态配套示意图

4.7选材与制造

4.7.1选材

（1）结构件选材及性能

本套设备结构件选材以Q550钢材为主。

Q550钢板，屈服强度σs为550MPa，抗拉强度σb为650～820MPa，选用鞍钢或本钢优质板材。

（2）立柱千斤顶选材及性能

所有立柱、千斤顶的管材，包括活塞杆均选用27SiMn材质，屈服强度σs为835MPa，抗拉强度σb为980MPa，延伸率12%。

（3）销轴材质

支架所有连接销轴材料均选用30CrMnTi，抗拉强度σb为1470MPa，延伸率9%，机加工后进行淬火处理，并控制表面硬度在HRC35-40，HB330-375之间，经镀锌处理。

（4）其他液压系统选材

所有立柱、千斤顶的密封采用国内优质聚氨酯材料。

支架所用各种液压胶管采用埃迪亚（沈阳）公司（沈阳橡四）产品。

主进、回液分别采用φ13。

相应至操纵阀管径为φ13，操纵阀至立柱下腔为φ10管径、至推移缸下腔为φ10管径。

立柱双向锁为125L/min。

支架主供液管路配置球形截止阀，主回液管路配置回液断路阀。

每根立柱都安装有125L/min安全阀。

安全阀开启压力不超过设定值的110%，关闭压力不低于调定值的90%。

4.7.2质量保证措施

（1）构件材料质量保证

各种板材的采购，均由我公司采购部从钢厂直接购进，每一批板均经过严格的检验，并附有相应的炉次、成份单，进厂后，对不同批次的高强度板还要进行成份抽样化验，并做试样进行性能试验。

（2）下料

购进的钢板其表面均有一层氧化皮，有的还会有油污等，这些杂质均会不同程度地影响焊接质量和外观质量。

因此我公司在钢板下料前，在钢板预处理生产线上对钢板进行表面处理，清除油污、氧化皮。

●钢板预处理后，钢板表面氧化皮清除，不但提高下料件的切割质量，下料件光洁度、直线度也大大提高。

●氧化皮主要由三氧化二铁和结晶水组成，对焊接极为不利，容易造成焊缝夹渣、焊接冷裂纹等。

因此，钢板预处理后，还可以提高焊接质量。

●钢板经过预处理后，可以大大提高喷漆的附着力，减少结构件的锈蚀，提高使用寿命。

δ＞12mm的钢板下料时选用数控切割机，δ≤12mm的钢板选用剪板机下料，下料后在压力机矫平，平面度在2mm/1000以内。

（3）坡口和铣边

采用小型数控切割设备和专用工装进行坡口切割，并使用专用铣床对关键主筋的焊接面进行铣边处理。

（4）结构件拼装工艺

铆工拼装在平台上划线装配或拼装芯轴和定位胎具，保证装配间隙0～2mm以内，使装配生产的拘束应力降到最小；易变形处增加工艺支撑。

组对时进行定位焊，定位焊焊条选用冲击韧性好的低氢碱性焊条，低强匹配，焊角高6～8mm，长20～50mm，间隔200～300mm。

直流反接，使用前经350～400℃烘焙，保温2h，放于保温筒内随用随取，定位焊的位置和尺寸不能影响焊接接头的质量，要求在正式焊接前定位焊焊缝牢固不开裂，并清净焊渣、飞溅。

如果开裂，则需要碳弧气刨或角向磨光机清除掉焊点，重新定位焊，避免裂纹源的存在。

（5）焊接

焊工要求达到中级以上水平，持证上岗。

焊接设备选用逆变焊机，质量可靠，焊接采用混合气体保护焊。

焊接材料控制选用超低氢型实芯焊丝，焊接材料进厂时质量保证书应完整清楚，焊接保护气体采用液态CO2集中管道供气，保证了保护气体的高纯度要求。

在高强度板结构件焊接时，采取焊前预热处理，我公司具有较大型封闭式预热炉可以对结构件进行预热处理，达到预热温度后，经查验合格后立即施焊，以保证层间温度不低于不产生裂纹的预热温度。

中间环节由检验人员用点温仪巡检，层间温度低于最低预热温度要求时，要求重新进行预热。

（6）焊后消除内应力

拼焊后的箱型结构件不可避免地产生一定的内应力，随着时间的推移，内应力对承载结构件的强度有可能会造成较大的影响。

通过大型热处理回火炉，可对结构件进行整体消除焊接应力处理，并采用“不完全回火应力消除法”。

通过确定合理的工艺参数来保证结构件达到：

●改善焊接接头的组织和性能，软化淬硬区，降低硬度，提高塑性、韧性，防止焊接结构件的脆性破坏。

●松弛或消除焊接应力，防止延迟裂纹的产生和发展，提高焊接结构件的使用可靠性和寿命。

●提高耐腐蚀性能。

●消氢、防止产生冷裂纹。

保证了整体结构件不但具有较高的强度，而且具有很好的韧性，充分满足设计和使用的要求。

（7）结构件铰接孔加工、工艺及检测

采用专用的结构件铰接孔整体加工组合镗床，可整体加工支架顶梁、掩护梁、底座等大型结构件的各种铰接孔，以被加工结构件的孔系尺寸为依据，通过调整各动力头之间的中心距和中心高来保证零件尺寸精度。

消除划线、找正、拉坐标、旋转工作台及二次装夹误差。

保证每批结构件各孔中心距公差的一致性要求，互换性好。

保证结构件孔与轴的配合间隙达到1mm。

检测时，采用检验芯轴与测量工具相结合手段，确保铰接孔的正确尺寸公差和形位公差范围。

（8）立柱、千斤顶加工

缸体加工：

采用带锯下料→粗加工→热处理调质→精加工的工艺方案。

内孔加工在深孔钻镗床上采用粗镗→精镗滚压复合工艺，精度可达IT9级以上，内表面粗糙度Ra0.4以下，从而有效的提高缸体内表面的耐腐蚀性和耐磨性，并能显著提高密封件的使用寿命。

导向套等盘套类零件加工：

毛坯用模锻件，采用粗加工→热处理→精加工→表面镀锌的工艺方案。

精加工全都在数控机床上加工，加工精度可达IT8以上。

活柱、活塞杆加工：

采用带锯下料→粗加工→热处理→精加工→表面镀乳白铬＋硬铬工艺方案。

活柱、活塞杆密封槽的精加工全部在数控机床上进行，密封面的磨削在精密外园磨床上分粗磨→精磨工序，粗糙度可达Ra0.2，直线度、圆度在0.005mm以下。

（9）电镀

活柱先磨，然后酸洗除锈，再除酸，用乳白铬打底，打底厚0.04～0.05mm,再镀硬铬，镀层总厚0.07～0.09mm，镀后抛光，粗糙度达到Ra0.4。

5工业性试验与应用情况

此掘进巷道超前支护装置于2011年9月在陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿309掘进工作面安装试用，至2011年12月累计掘进进尺2175m，月平均进尺543m；而5月至8月份未使用该装置时掘进进尺为450m。

故每月顺槽进度相对提高为20.7%，9月至12月共增加进尺375m，装置的安全、高效等性能得到了体现。

5.1支架性能特点

（1）有足够的支护强度，能有效地管理掘进工作面控顶区的顶板，确保掘进工作面的作业安全；

（2）支架的使用能够保证掘进工作面有足够的行人、运料以及通风空间；

（3）支架性能稳定可靠，能够适应掘进工作面的顶、底板条件；

（4）掘进巷道超前支护装置的移架迅速，使用方便可靠：

（5）根据巷道实际情况调整支架初撑力，最大限度地减小支架对顶板造成的主动破坏（静态支护和动态反复支撑）。

（6）立柱底座面积设计合理，避免支架在底板较松软的情况下使用时，支柱出现扎底现象；

（7）支架能够根据与掘进机、运输机以及锚杆机的配合使用条件，确定合理的支架高度以及支护强度，保证巷道顶板的完整性，实现至少掘进2～5m之后，再进行铺网、打注锚杆等永久支护。

配以经济合理的掘进施工工艺，可提高掘进效率，实现巷道的高效掘进；

（8）支架的维护、检修较方便，零部件损坏时可在掘进面进行更换。

5.2使用效果

综掘工作面围岩控制支护装备的使用，有利于矿井掘进巷道顶板的安全管理，为综掘工作面创造了一个安全的工作环境，取得了较好的使用效果。

（1）增强安全性

该装置为框架式结构，有效支护长度约7.26m，掘进机与操作人员完全掩护在该装置下作业，有效地保证了设备及人员的安全。

在锚杆、锚索支护作业时，作业人员始终处于超前支架下作业，作业空间大、支护强度高、性能可靠、安全系数高，可及时支护因片帮暴露的顶板或掘进机掘进后新暴露的顶板。

（2）提高掘进效率

一号煤矿在使用该装置之前，掘进巷道循环进度最多为4m，使用综掘工作面围岩控制支护装备后，掘进巷道每循环进度可达5m，并改变了锚索、锚杆、帮锚及帮网的支护方式。

其中锚索梁距工作面最大距离由原来的不能超过15m，延长到不能超过25m；帮锚、帮网由紧跟工作面支护，改成支架后再补打，为掘进班组的作业组织提供了有利条件。

月度进尺从原来的450m提高到550m，9月份更实现掘进进尺562m的好成绩。