矿用救援轻型快速成套支护装备的研究与设计

井婷婷

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037)

矿山局部小范围冒顶事故引起巷道不完全堵塞及垮塌，现场救援人员需要使用支护装备对破碎顶板及有垮塌危险的顶板和巷壁进行有效支护，以达到迅速搭建安全区域或救援通道的目的。国内现有的支护装备存在不具有煤矿安全资质、体积大、操作复杂等问题，不能满足煤矿井下救援的需要。本文针对煤矿救援，开发设计了一种新型矿用救援轻型快速成套支护装备，不仅符合矿用安全标准规定的强度高、质量轻、不产生撞击或摩擦花火以及无引爆可燃气体的风险，而且便于救援人员携带。

1 总体设计

矿用救援轻型快速成套支护装备主要由液压支柱、延长柱、手动支柱、支撑头等部件构成，该装备利用手动液压泵提供支撑动力源，可在任意倾斜角度下快速支护，在支撑高度为2 m的情况下(支撑力不小于100 kN)，可支撑60 m2安全区域或搭建30 m双排支撑安全通道，便于救援人员和设备安全快速通过。该装备通过各种可相互连接的轻质部件以及不同的组合形式，满足救援现场各种撑顶长度及支撑方式的需要。根据冒顶引起垮塌程度的不同，可采用单根支撑系统或三脚架支撑系统组合的支护方式。

1.1 单根支撑系统

单根支撑系统是使用中最常用的支柱连接方式，主要由液压支柱、手动支柱、一根或多根延长柱、各种支撑头组成。各部分可单独使用，也可组合使用，各部件端部具有可快速连接的快插接头。单根支撑系统示意图如图1所示。

1-支撑头；2-延长柱；3-液压支柱；4-手动支柱；5-支撑头图1 单根支撑系统示意图

1.2 三脚架支撑系统

三脚架支撑系统主要由三脚架支柱、三脚架架头、旋转支撑头、固定链、起吊设备组成，主要是通过相关组件形成稳定的三脚架结构，下方配置起吊设备用来起吊重物，上方具有快速接头，可通过连接支柱等设备形成稳定的支撑系统。三脚架支撑系统示意图如图2所示。

1-旋转支撑头；2-三脚架支柱；3-三脚架；4-起吊设备；5-固定链图2 三脚架支撑系统示意图

1.3 主要技术参数

矿用救援轻型快速成套支护装备主要技术参数见表1。

矿用救援轻型快速成套支护装备采用了高强度铝合金材质和轻型塑料材质，从而减轻重量，达到便携的目的。其主要材料采用矿用抗冲击火花的高强度铝合金材质2A12、6061和7A04等以及阻燃抗静电等轻型塑料材质PVC和PA66等，并进行相应阻燃抗静电处理，其材料性能满足《煤矿用金属材料摩擦火花安全性试验方法和判定规则》(GB/T13813-2008)和《煤矿井下用聚合物制品阻燃抗静电性通用实验方法和判定规则》(MT 113-1995)标准的要求。

表1 矿用救援轻型快速成套支护装备主要技术参数

2 主要部件结构设计

2.1 液压支柱

(1)液压支柱结构。液压支柱主要由高压软管、换向手柄、双向液压锁、底部连接头、油缸、活塞、顶端连接头等部分组成，是支撑系统中的可调节部分。利用液压作为动力源，缸体和活塞组成液压腔体，利用高压液压油实现活塞的伸出或缩回。支护装备上下端部为快速连接头，在救援现场可根据实际情况与相关设备组合使用，形成不同的支撑高度和支撑形式，通过高压软管、换向手柄和双向液压锁实现液压手动泵(机动泵)的快速连接。液压支柱结构示意图如图3所示。

液压回路的自锁和高压回流保证了支护装备在忽然泄压和压力超过额定工作压力时的安全性和可靠性，其壳体材料采用重量轻、抗冲击火花的高强度铝合金材质和阻燃抗静电等轻型塑料材质。

(2)液压支柱液压工作原理。液压支柱液压工作原理图如图4所示。

1-底部连接头；2-缸体；3-活塞；4-顶端连接头；5-双向液压锁；6-换向手柄；7-高压软管图3 液压支柱结构示意图

1-溢流阀；2-液压缸；3-液压锁；4-溢流阀； 5-三位四通阀；6-溢流阀；7-快换接头；8-快换接头图4 液压支柱液压工作原理图

由图4可以看出，快换接头7和快换接头8分别与机动泵或手动泵的快换接头相连，通过手柄让三位四通阀5处于左位时，液压锁3左路单向阀打开进油，对液压缸2进行供油，同时控制油路打开右路单向阀回油，当进油腔压力超过额定工作压力时，溢流阀1打开，通过快换接头7自动回油；当三位四通阀5处于右位时，对液压缸2反向供油，其原理与左位供油相同。松开手柄时，三位四通阀5自动回到中位，进油口P和出油口T导通，管路泄压，液压缸2在两个单向阀的作用下左右油缸处于静止状态，起到自锁作用。当回油管路堵塞时，溢流阀6开启，液压油直接泄压，防止损坏液压支柱。

2.2 延长柱

延长柱是一种长度固定不变的支撑杆，主要由两端连接头、柱体和固定销组成，可实现对支撑系统的快速延长，每根延长柱上都有反光彩色条，便于在黑暗中使用。常用的延长柱长度有250 mm和500 mm，延长柱结构示意图如图5所示。

1-连接头；2-柱体；3-连接座；4-固定销图5 延长柱结构示意图

2.3 手动支柱

手动支柱两端具有快速连接头，主要通过转动螺纹套调节内柱的伸出长度，达到改变整体长度的功能。螺纹套和内柱都为梯形螺纹配合，具有自锁性能。手动支柱结构示意图如6所示。

1-固定销；2-连接座；3-外柱；4-螺纹套；5-内柱；6-连接头图6 手动支柱结构示意图

在支柱撑顶重物时，为了保证安全和支撑不松动，要对支柱进行锁定。支柱的自锁装置由支柱内柱、支柱外柱、锁定套、锁定柱和锁球等组成。锁定套设于支柱内柱及支柱外柱外，并可轴向移动及通过限位结构固定，锁定套设有环形锁腔及连通内柱和环形锁腔的锁孔，锁定柱的一端与外柱连接，另一端伸入环形锁腔，锁定柱和内柱的外侧均设有环槽。锁球设于锁定柱环槽内，并可通过锁孔进入内柱环槽。自锁状态结构示意图如图7所示。

2.4 支撑头

支护装备里配备适用性强且种类繁多的支撑头来完善各类支撑系统。平面支撑头用于支撑平面表面；U型支撑头带固定孔，用于梁支撑；万向支撑头带固定孔，可旋转，用于不平坦或倾斜的表面支撑；十字支撑头用于多种表面；三脚架架头用于组建三脚架；旋转支撑头可与底座固定带形成稳定的三角形结构，也可与手动支柱、架头等形成救援三脚架。

1-内柱环槽；2-锁球；3-锁定柱；4-弹簧；5-外柱；6-锁定柱环槽；7-环形锁腔；8-内柱图7 自锁状态结构示意图

3 技术性能特点及应用

2013年1月，中煤科工集团重庆研究院对矿用救援轻型快速成套支护装备进行了立项，2014年12月，完成对了矿用救援轻型快速成套支护装备的样机制造并测试合格，该装备所用轻合金及非金属材料顺利通过国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心的安全与性能检验。

矿用救援轻型快速成套支护装备目前已在淮南矿业集团矿山救护队、华能白山煤矸石有限公司矿山救护队和国投煤炭有限公司矿山救护队等多家救援队中配备应用，成功处理多起局部冒顶事故，实现了快速搭建救援通道。矿用救援轻型快速成套支护装备与传统支护装备相比主要有以下特点：

(1)采用矿用抗冲击火花、阻燃抗静电等高强度轻型材料，具有安全、轻便、环境适应性强等特点，便于救援人员井下携带救援。

(2)该装备采用的液压系统具有初撑力大、支护速度快以及安全稳定的特点，每根支柱上配备安全锁紧装置，以保证支撑安全。

(3)该装备可支撑高度范围为0.5～4 m，采用多功能万向端头，不仅可以在任意倾斜角度、横向或纵向进行快速支护，也可以对狭小空间等复杂条件进行特殊支护，配备短型、中型、长型等各种规格延长杆，可通过加装不同的延长杆来增加支撑高度。

4 结语

矿用救援轻型快速成套支护装备具有抗冲击火花、阻燃抗静电、安全自锁、支护高度范围可调并且便于携带等优点，该新型装备能够适应煤矿井下特殊、复杂救援环境的安全要求，大大提高了处理局部冒顶事故的救援效率。随着国家对安全生产应急救援队伍的救援装备投入力度的加大，矿用救援轻型快速成套支护装备将作为救护队员的有力武器，得以广泛推广应用。