煤巷综掘工作面临时支护装置的研制与应用

赵启峰，周天津，黄 刚，郭敬中，李 昊

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601; 2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008; 3. 淮北矿业集团公司海孜煤矿，安徽 淮北 235000)

煤巷综掘工作面临时支护装置的研制与应用

赵启峰1,2，周天津3，黄 刚1，郭敬中1，李 昊1

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601; 2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008; 3. 淮北矿业集团公司海孜煤矿，安徽 淮北 235000)

基于煤巷综掘临时支护技术的现状，研制了一种新型煤巷综掘临时支护装置，该装置利用永久支护顶板锚杆为悬吊载体，安装在煤巷掘进面空顶区域，提高掘进迎头空顶区顶板支护强度。通过前探梁、吊梁环和护顶金属网等主要构件，实现掘进面临时支护的防滑限位、角度可调、前探支护与护顶挂网同步等功能。现场应用结果表明，该装置井下装拆灵活方便，节省了临时支护时间，提高了支护效率，为综掘巷道迎头空顶区域支护安全和快速掘进提供了设备保障。

综掘工作面；空顶区；临时支护；护顶装置；悬挂式

0 引言

在华北、西南等全国大部分矿区煤巷掘进工程中，因松软破碎等复杂地质赋存条件限制，掘进面围岩强度低，弱面发育，极易发生顶板事故，因此煤巷掘进面迎头区域的临时支护是巷道安全掘进过程中必不可少的重要环节[1-2]。目前巷道掘进支护施工中，通常在掘进面前端2～3m处空顶区搭建临时支护(如图1)，大多采用单体液压支柱或挂钩、前探梁相互连接技术方案，属于架棚式或悬挂式前探临时支护类型[3]。使用上述传统临时支护装置虽然能实现掘进面迎头区域及时支护，但是单体液压支柱临时支护工人劳动量繁重、操作安全系数低、护顶面积小，而传统的金属前探梁悬吊式临时支护无法适应煤巷掘进倾角起伏、顶梁与顶网不能同步架设等问题[4]。为此，根据目前大多数煤巷综掘施工迎头区域临时支护现状，研制出一套临时支护装置，并在淮北矿业集团海孜煤矿煤巷综掘工作面临时支护进行了应用，实践表明该临时支护装置能对煤巷掘进迎头区域进行及时快速临时支护，为工人完成掘进作业提供必要的安全保障。

1 临时支护装置的结构设计

1.1 整体结构设计

临时支护装置主要由前探梁(1)、吊梁环(2)、护顶金属网(3)等构件组成，如图2所示。三根(1主2副)平行设置的前探梁的相同一端分别设置两个吊梁环；两个吊梁环分别固定在最靠近掘进迎头的第一排和第二排永久支护锚杆端部螺栓上[5]；在三根前探梁设置吊梁环以外的部分设置有两片护顶金属网(3)。

图1 临时支护装置安装区域示意图

图2 临时支护装置整体结构图

1.2 主要部件的设计

(1) 悬吊环

如图3所示，在每个吊梁环的左右两侧对称设置一对旋转调角螺栓(2-2)，旋转调角螺栓型号为M16×45mm，当巷道水平掘进方向改变时，通过调整旋转调角螺栓，可实现该临时支护主、副前探梁沿巷道掘进方向左右水平角度可调，以适应巷道掘进水平转向不同角度支护要求；每个吊梁环的底部设置一个防滑限位螺栓(2-3)，限位防滑螺栓型号为M20×100mm，该防滑限位螺栓穿过的孔为弧形孔(2-4)，当前探梁穿入吊梁环后，可用扭矩扳手紧固该防滑限位螺栓，既能防止煤巷仰斜或俯斜掘进时前探梁滑脱(限位功能)，又能适应前探梁沿巷道掘进方向倾角起伏的变化(防滑功能)。

图3 吊梁环结构图

图4 前探梁、吊梁环与护顶金属网分解图

(2) 前探梁

如图4所示，3根前探梁平行组成一个整体，1主2副结构，主前探梁前端有挂网孔，副前探梁前端没有挂网孔；每根前探梁均为矿用槽钢焊接结构件，长度3500 mm，宽度60 mm，高度50 mm，前探梁的宽度、高度应与吊梁环的宽度、高度相适应，确保前探梁能从吊梁环中穿入。根据巷道宽度配备前探梁数量，原则上不少于3根，即：1主2副结构，超宽巷道必须增加前探梁数量。

(3) 护顶金属网

为了拆装方便，每片护顶金属网包括两部分：长方形金属框架和菱形金属网格，如图4所示。长方形金属框架(3-1)采用φ16mm的螺纹钢筋焊接成，长度和宽度为：2100mm×1800mm，规格尺寸应能满足煤巷宽度和循环进尺的要求。并且在焊接时，螺纹钢筋伸长预制3个直角挂梁钩(3-2)，与主前探梁前端的挂网孔(3-3)连接，便于护顶金属网与主前探梁连接可靠。菱形金属网格采用φ6mm的钢筋焊接而成，规格为：70mm×70mm。护顶金属网与前探梁连接，实现前探梁和护顶金属网同步架设，克服了传统单体液压支柱临时支护护顶面积小、柱间易冒落顶板碎小煤矸、安全可靠性差等缺点。

上述护顶金属网及前探梁均通过吊梁环与永久支护锚杆连接，顶板永久支护锚杆宜采用φ20mm×2200mm的左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，拉拔力应不小于70kN，以确保该临时支护装置整体悬吊安全可靠。

1.3 工作原理

该临时支护装置的工作原理：3根前探梁的一端均分别与两个吊梁环相连，前探梁的另一端与护顶金属网连接；两个吊梁环分别固定在最靠近掘进迎头的第一排和第二排永久支护锚杆端部螺栓上，吊梁环底部布置1个限位防滑螺栓、吊梁环两侧对称布置2个旋转调角螺栓；左、右片护顶金属网分别通过其各自挂梁钩与主前探梁前端的挂网孔连接，使得临时支护的主、副前探梁、左右护顶金属网与永久支护的锚杆连接成一体，并与限位防滑螺栓、旋转调角螺栓配合完成不同起伏角度、水平不同转向煤巷掘进时掘进头临时支护工作。

2 临时支护操作过程及设计特点

2.1 操作过程

(1) 将已加工完成的主、副前探梁，吊梁环，护顶金属网和用于固定各构件的不锈钢螺栓、卡销运送至井下煤巷掘进工作面，按上述设计要求进行现场装配；

(2) 根据悬臂式掘进机自身结构和截割特点，完成截割循环后退6～8 m，截割头落地、停机。同时派专人清理浮煤、敲帮问顶、处理不安全隐患，为掘进迎头临时支护做好准备；

(3) 将吊梁环分别固定在最靠近掘进迎头的第一排和第二排永久支护的锚杆上，将前探梁的一端穿进吊梁环中；护顶金属网通过挂梁钩与主前探梁前端的挂网孔连接；通过前探梁托起护顶金属网，从而使前探梁、护顶金属网与永久支护的锚杆之间连接成一体；

(4) 使用扭矩扳手紧固每个吊梁环底端的限位防滑螺栓，确保前探梁、护顶金属网能紧贴巷道顶板，此时，施工人员在该临时支护的保护下进行打钻、安装锚杆等永久支护作业；

(5) 在该临时支护的保护下完成永久支护作业后，掘进机开进，继续进行下一循环的截割工序；待截割工序完成后，再前移该临时支护装置，确保前探梁紧跟掘进迎头；如此循环往复，使得掘进迎头一直在该临时支护装置的保护之下。

2.2 设计特点

本临时支护装置相对于传统的单体液压支柱临时支护，具有以下特点：

(1) 该临时支护装置由前探梁、吊梁环和护顶金属网等构件组成，以永久支护顶板锚杆作为悬吊基点[6-7]，安装和前移操作简单，对各种类型的煤巷掘进临时支护区域适应性强。

(2) 该临时支护装置中的前探梁、吊梁环和护顶金属网均在地面预制加工而成，井下安装灵活方便，节省临时支护时间，提高煤巷综掘整体施工效率。

(3) 吊梁环上安装有限位防滑螺栓和旋转调角螺栓，可实现掘进迎头临时支护的限位防滑、角度可调、顶梁和顶网同步架设等功能，既有利于前探梁在煤层倾角起伏变化、水平不同转向巷道掘进迎头稳固可靠地发挥临时支护作用，又可防止巷道掘进迎头顶板破碎煤(岩)体垮落砸伤人员，克服了传统单体液压支柱临时支护护顶面积小、柱间顶板碎小煤矸易冒落、安全可靠性差等缺点[8-9]。

3 临时支护装置的应用

本临时支护装置在淮北矿业集团公司海孜煤矿三水平Ⅲ1014 运输平巷综掘工作面进行了应用。该巷道布置于10号煤层内，煤层厚度2.0～5.9 m，平均厚度3.6 m，煤层倾角8°～21°，平均角度17°。巷道总长1148.7 m，锚网支护，锚杆间排距700 mm×700 mm，巷道宽度4000 mm，高度3200mm。使用EBZ-220型综掘机，作业循环方式为掘支单行。根据邻近巷道掘进经验，Ⅲ1014 运输平巷在前期一直采用单体液压支柱(支柱初撑力大于30kN，柱帽规格500×200×50 mm)进行临时支护，掘进机截割时间60 min左右，临时支护时间(包括支设单体液压支柱、穿鞋、带帽)为15～18 min，而且每个循环只允许掘进2排。因本条巷道跨度较大(宽度4000 mm)、随煤层倾角巷道起伏较大(煤层倾角8°～21°)，原有单体液压支柱临时支护形式工人劳动量大、操作安全系数低、护顶面积小的缺点逐渐显现，为此决定采用本课题组研制的临时支护装置，并选取80 m巷道掘进进尺跟踪观测，主要观测掘进机截割时间、临时支护时间、每班完成循环数、日进尺以及掘支各工序配套情况。观测结果表明：采用本新型临时支护装置，掘进迎头临时支护时间(包括固定吊梁环、挂护顶金属网)为8～10 min，与传统的单体液压支柱临时支护相比，临时支护时间缩短33.3%～55.6%，综合月进尺由196m提高到294m，而且减少搬运锚杆钻机、拉管子等循环次数，缩短辅助工序时间，提高煤巷综掘整体效率[10]。

表1 本临时支护装置与传统 单体液压支柱临时支护对比

续表

4 结论

(1) 煤巷掘进临时支护装置以永久支护已锚固的顶板锚杆作为其悬挂支撑点，通过吊梁环底端的限位防滑螺栓、两侧的旋转调角螺栓以及护顶金属网与前探梁的搭接，可实现该临时支护装置的限位防滑、角度可调、前探支护与顶板挂网同步等功能。

(2) 煤巷掘进临时支护装置的作用是维护煤巷掘进工作面与后方永久支护(锚网支护)之间的作业空间，杜绝掘进迎头空顶作业，防止掘进工作面顶板岩层冒落和早期离层，确保煤巷掘进工作面作业安全。

(3) 本临时支护装置克服了传统单体液压支柱临时支护护顶面积小、柱间易冒落顶板碎小煤矸、安全可靠性差等缺点。现场应用表明，本临时支护装置结构合理，安装拆卸简单，缩短了临时支护时间，提高了煤巷掘进效率，同时前探梁在掘进迎头支护距离长，能随掘随延伸，为巷道掘进临时支护区域提供安全的作业环境。

[1] 张明禄,梁雷,张新过,等.松软破碎煤层巷道掘进与支护技术研究[J].煤炭工程,2015, 47(6) : 43-45.

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[3] 陈加胜,张强,邓海顺.掘进巷道临时支护装备的现状及发展趋势[J].煤矿机械,2014, 35(5) : 4-7.

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[5] 田志军,马立强.复杂地质条件下巷道快速综掘临时支护技术[J].煤矿安全, 2009(5):56-58.

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[10] 袁海军.掘进巷道临时支护技术及防片帮措施[J].煤矿支护,2013(3):42-44.

Study and application of temporary support device for fully-mechanized roadway heading face

ZHAO Qi-feng1,2，ZHOU Tian-jin3，HUANG Gang1，GUO Jing-zhong1，LI Hao1

( 1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China;2.StateKeyLabofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou，221008,China;3.HaiziCoalMine,HuaibeiMiningIndustryGroupCompany,Huaibei，235000,China)

The backwardness of temporary support technology in the coal roadway was one of the key factors that restricted fully-mechanized coal roadway excavation. Based on the present status of the temporary support technology for the fully-mechanized mine roadway heading in China, the paper studied the new type temporary support device for the fully-mechanized roadway heading face. Taking the permanent supporting roof bolts as the hanging carriers, the flexible temporary support device was put to the unsupported roof area of the heading face and the support intensity of heading face unprotected area had improved significantly. The temporary support device, with the forepoling steel bars, slinger rings and roof protecting metal meshes, can realize the following functions, such as fixed non-slip support device, adjustable rotation angles, hanging beam and laying metal meshes synchronously. The application results show that this new temporary support device can be installed flexibly and improve the support efficiency for fully-mechanized roadway heading face. In addition, this new device has provided the effective equipment for supporting safety of the roadway heading face unprotected area.

fully-mechanized roadway heading face; unprotected area; temporary support; roof support device; roof-hanging

2016-02-10

中央高校基本科研业务费资助(3142015087，3142013035)；河北省矿井灾害防治重点实验室资助项目(KJZH2013S03)

赵启峰(1982-)，男，山东枣庄人，博士，华北科技学院安全工程学院讲师。E-mail:mineqfz@sina.com

TD353

A

1672-7169(2016)03-0036-04