陈桃杯,赵光明
(山西晋煤集团 金鼎煤机矿业发展有限责任公司,山西 晋城 048006)
国内外对超前支护液压支架的研究开发起步较晚,随着我国近几年大型矿井的不断增多,煤矿综采安全和高产高效越来越得到重视,极大地促进了超前支护液压支架的研究与应用,实现了综采工作面的高产、高效、安全自动化的稳定生产。
综采工作面端头虽然占用面积不大,但端头区是巷道和综采工作面的交汇处,无立柱支护空间大,受采动影响大,矿压显现复杂,所以端头既是顶板维护的重点,又是顶板管理的难点。规程要求工作面两侧顺槽20m范围内必须进行超前支护,在软煤层、顶板不稳定、特殊地质条件时此范围还需延长到50m左右。传统的综合机械化采煤工作面两侧顺槽超前支护主要以单体液压支柱配合梁体进行联合支护,但是这种超前支护具有支护强度低、支护速度慢、劳动强度大、成本高、安全性差等缺点。随着综合机械化采煤技术的发展,与采面液压支架效能相比,采面端头支护落后的矛盾越来越突出,特别是一次采全高工作面顺槽断面高度可达到4m~5m,单体支柱难以有效地进行超前支护,且不符合煤矿安全规程要求。例如在赵庄煤业有的顺槽巷道高5m以上,单体支柱支护困难,移动单体柱需要几个人,而且随着巷道高度的增大,单体柱倾倒、折断的威胁性也不断提高。采用超前支护支架代替传统单体柱支护能满足采煤工作面超前支护距离、支护强度及安全间隙,并且使用快捷方便、安全通道顺畅、通风断面大,有利于工作面快速推进。目前已有多种类型超前支架,如悬移式、滑移式、跨骑式等等,但超前支架存在支护阻力较小,对井下条件适应性差,而且适应大断面巷道的架型极少,特别是运输巷超前支架研制困难,使用较少,因此研制新型超前支护已是迫在眉睫的问题。
本超前支架分为机尾超前支架组和机头超前支架组。
机尾超前支架组由3架超前支护支架及支架之间的连接件组成。每架超前支架由左、右两部分通过顶梁、底座铰接耳铰接为一个整体,超前支架铰接后宽2 m,左、右部分都包括顶梁、掩护梁、上下连杆、底座、前梁等,每个操纵阀位上方装有侧护板,提供安全操作空间。超前支架还装有单轨吊,作为辅助运输工具,单轨吊由水平伸缩千斤和垂直起吊千斤调节位置,保证单轨吊使用时处在合适位置。
机头超前支架由3组超前支护支架及支架之间的连接件组成。超前支架左、右部分间留有1.6m间距,使转载机、破碎机能通过。第一组超前支架通过顶防倒千斤铰接在一起,顶防倒千斤主要起防倒作用,底部装有底调千斤用于调整支架位置。第二组超前支架与第一组超前支架一样,通过顶防倒千斤铰接在一起,此外支架前部连接有转载千斤,可拉移转载机,后部还通过底防倒千斤铰接在一起。第三组超前支架通过顶、底防倒千斤铰接在一起,有较强调架、导向能力,避免支架与转载机干涉。
本支架运用于回采工作面的进、回风巷的超前支护,适应巷道的倾角小于15°,巷道宽4m~5m、高4 m~5m的大断面顺槽。
超前支护的技术参数如下:
支架型式: 超前支护液压支架;
高 度(mm): 2 400/5 200(最低/最高);
宽 度 (mm): 800;
单架支护长度(mm): 6 800;
初撑力(kN): 5 232;
工作阻力(kN): 6 000;
底板比压(平均)(MPa):0.96;
泵站压力(MPa): 31.5。
该超前支护液压支架井下采用3组进行超前支护,支护时超前支护支架摆放方向与工作面液压支架前进方向相反。支架前推移点间距保持6.8m,总支护距离不小于20m。机尾超前支架采用整体移动,其行走方式为:随着工作面的前移,第一组支撑单元收前梁,降架200mm~400mm,推移千斤伸出,升架达到初撑力,展开前梁,完成一组的移动,后面每组支撑单元分别重复第一组支撑单元的步骤;到第三组支撑单元到达原第二组支撑单元的位置时,完成一个步距的行走。前梁和侧护板主要起防护作用,超前支架行走方向可通过两个推移千斤伸缩量调整。机头超前支架可采用左右迈步式前进,即左支右移,或右支左移,迈步距离最大可达到1 200mm左右。机头超前支架第一架(工作面侧)和第二架采用拉架(有利于导向);第三架采用推架,先移第三架,第二、三架移架后拉转载机,然后拉第一架。支架主要通过底防倒千斤和底调千斤调节支架位置。
超前支护支架每架由相互独立的左架、右架连接而成,便于运输、安装、维护。该超前支架支护高度大,可达到5.2m;重量轻,左、右部分重量小于12t,单件重量小于5t;结构尺寸小,单件宽度、高度均小于1.2 m;移架步距大,可达1.6m;运输高度低,支架整体高度可降到2m。每台支架均设四连杆机构和防倒机构,保证超前支架的稳定性。每组初撑力小,工作阻力大,达到6 000kN,可减少对顶板扰动,同时提高支护强度。
超前支护液压支架可多架连接,支护长度增加容易。前后架顶梁、底座间不直接连接,增强了对顶、底板不平整的适应。支架底座设计成船型结构,移架阻力小,不扎底。移架速度快,单架移动时间小于1 min。超前支架行走的方向、位置调节方便。支架在巷道布置后留有较大的通道,便于行人和运输物料。运输巷超前支架可以和破碎机连接,实现转载、破碎机自移动。
超前支护液压支架提高了工作面端头及其巷道支护的安全可靠性,降低了工人劳动强度,解除了超高单体柱倒柱、折断威胁,具有较高的安全性。
超前支护液压支架实现了支护机械化,提高了工作面推进速度,减少了因处理端头影响工作面割煤的时间,同时端头支护工劳动消耗可降低10%左右,可创造利润600万元。节约材料费用包括可省板梁、柱鞋费用300万元。
2011年由晋煤集团金鼎公司设计制造的二代超前支护支架进行了井下工业性试验。试验单位为晋煤集团赵庄二号井、金鼎公司,试验地点为晋煤集团赵庄二号井3#煤1305工作面顺槽。超前支架在井下进行了支护、行走试验,支架进行了升降、推移、侧移、支护等动作,验证了支架对巷道的适应性,考察了对顶板、锚杆支护、通风的影响。结果表明超前支护支架能够适应顶底板有起伏的状况,其主要结构参数能够满足巷道的超前支护要求。CZ6000超前支护支架替代了传统的单体液压支柱联合木梁的超前支护方式,实现了采煤工作面超前支护作业的机械化,且能够很好地满足中小型矿井立井下井、安装运输的要求,有利于减少工人繁重的体力劳动,提高端头支护的安全性。
该产品已在赵庄二号井使用,并为长平公司、成庄矿设计制造同类超前支架,得到了用户好评。在今后几年内,随着井下采掘机械化不断提高,其将成为高产高效矿井的必要装备。