曹志輝

（山西焦煤集團(tuán)山煤國(guó)際長(zhǎng)春興煤業(yè)公司，山西 大同 037101）

1 103運(yùn)輸順槽概況

山西焦煤集團(tuán)山煤國(guó)際長(zhǎng)春興煤業(yè)公司103運(yùn)輸順槽位于北盤區(qū)東部，巷道東西走向布置，北部為103工作面回采區(qū)域，南部為101采空區(qū)，西部為北盤區(qū)大巷，東部為井田邊界。103運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 200 m，巷道掘進(jìn)斷面規(guī)格為寬×高=4.2 m×3.7 m，巷道沿22號(hào)煤層底板掘進(jìn)，煤層平均厚度為9.5 m，平均傾角為2°，巷道預(yù)留頂煤厚度為5.8 m，巷道采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝。

103運(yùn)輸順槽主要采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等聯(lián)合支護(hù)；頂板每排布置5根錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.0 m、直徑為22 mm，錨桿布置間排距均為1.0 m，錨桿外露端安裝一根長(zhǎng)度為4.2 m“W”型鋼帶；頂板每排布置3根錨索，錨索長(zhǎng)度為6.0 m、直徑為17.8 mm，錨索布置間距為1.8 m、排距為3.0 m，錨索外露端安裝一塊長(zhǎng)度及寬度為0.3 m托盤；護(hù)幫采用單錨桿支護(hù)，每排布置4根，錨桿布置間排距為1.0 m，護(hù)幫錨桿長(zhǎng)度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿外露端安裝一塊長(zhǎng)度為0.45 m托盤；頂板及巷幫采用同一種金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)長(zhǎng)度為4.0 m、寬度為2.0 m，網(wǎng)格為棱形狀。

截止目前103運(yùn)輸順槽已掘進(jìn)477 m，巷道掘進(jìn)至475 m處揭露一條F7正斷層，斷層落差為2.4 m，受斷層影響巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道頂板及兩幫錨桿（索）支護(hù)效果差，起不到預(yù)期支護(hù)效果。

2 巷道支護(hù)優(yōu)化應(yīng)用

為了解決傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)在應(yīng)力區(qū)主要存在的問題，決定對(duì)103運(yùn)輸順槽支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采用液壓矩形鋼棚支護(hù)。

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)

1）液壓矩形鋼棚主要由基座、伺服電機(jī)、主動(dòng)齒輪從動(dòng)齒輪、套筒、伸縮桿、頂梁、雙向電機(jī)、絲桿、滑塊、側(cè)護(hù)板、固定塊、活動(dòng)塊、滑桿、限位塊、復(fù)位彈簧、限位槽、壓縮彈簧、壓板、觸點(diǎn)等部分組成，如圖1所示。

2）基座內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)壁底部安裝主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪安裝有伺服電機(jī)，電機(jī)輸出軸與主動(dòng)齒輪固定連接，主動(dòng)齒輪兩側(cè)對(duì)稱布置轉(zhuǎn)動(dòng)連接的從動(dòng)齒輪，且主從動(dòng)齒輪完全嚙合。

3）基座上部對(duì)稱安裝轉(zhuǎn)動(dòng)連接的套筒，套筒底端延伸至基座空腔內(nèi)并與從動(dòng)齒輪頂部固定連接，套筒內(nèi)壁頂部套設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)連接的伸縮桿，其頂部安裝一個(gè)頂梁[1-2]。

4）頂梁內(nèi)部同樣為空腔結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)安裝一臺(tái)雙向電機(jī)，且雙向電機(jī)兩個(gè)輸出軸均套設(shè)有第二絲桿，第二絲桿外壁套設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)連接的滑塊，滑塊與頂梁腔體內(nèi)壁滑動(dòng)連接，同時(shí)滑塊一端延伸至外側(cè)并與側(cè)護(hù)板連接。

5）頂梁底部中心安裝固定塊，固定塊外壁兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)連接的活動(dòng)塊，活動(dòng)塊外壁遠(yuǎn)離固定塊一側(cè)設(shè)置為腔體，腔體內(nèi)壁匹配設(shè)有滑動(dòng)連接的滑桿，滑桿一端與側(cè)護(hù)板外壁底部轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

圖1 液壓矩形鋼棚結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 支護(hù)原理

1）首先將液壓矩形鋼棚安裝在需要支護(hù)的區(qū)域，伺服電機(jī)開始工作，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)齒輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)套筒隨之進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)伸縮桿向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，頂梁伸縮桿作用下向上進(jìn)行移動(dòng)，從而對(duì)頂板進(jìn)行有效支護(hù)[3-4]。

2）利用齒輪控制兩個(gè)套筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得兩邊伸縮桿同步上升，避免頂梁運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)偏移，保證了鋼棚支護(hù)穩(wěn)定性，頂梁支護(hù)穩(wěn)定后，雙向電機(jī)開始工作，帶動(dòng)兩個(gè)絲桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)側(cè)護(hù)板相向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道兩幫進(jìn)行支護(hù)。

3）在支護(hù)過程中當(dāng)頂梁向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓板隨之向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，壓板首先與頂板接觸，壓縮彈簧被壓縮，壓板與鋼棚頂梁緊密貼合后，此時(shí)壓塊始終保持與觸點(diǎn)完全接觸，當(dāng)鋼棚支護(hù)失效時(shí)，頂梁與壓板不再緊密接觸，壓縮彈簧推動(dòng)壓板遠(yuǎn)離頂梁，此時(shí)壓塊不再接觸觸點(diǎn)，報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員裝置工作狀態(tài)出現(xiàn)問題，保證了裝置的安全性。

3 液壓矩形鋼棚支護(hù)優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 支護(hù)優(yōu)點(diǎn)

1）支護(hù)強(qiáng)度高：與傳統(tǒng)矩形工字鋼棚相比，液壓矩形鋼棚底座與棚腿為一體，在安裝時(shí)更加穩(wěn)固，而且棚腿采用機(jī)械控制，液壓棚腿支撐強(qiáng)度高，承載能力強(qiáng)；同時(shí)頂梁截面積大、剛性強(qiáng)不易變形[5]。

2）支護(hù)效果好：傳統(tǒng)矩形工字鋼棚支護(hù)時(shí)只可對(duì)頂板進(jìn)行有效支護(hù)，無法對(duì)兩幫，特別是巷幫與頂板之間的三角煤柱進(jìn)行支護(hù)，而液壓矩形鋼棚在對(duì)頂板支護(hù)的同時(shí)可通過側(cè)護(hù)板對(duì)兩幫進(jìn)行有效支護(hù)，從而有效防止巷幫垮落現(xiàn)象，大大提高了支護(hù)效果。

3）操作方便：傳統(tǒng)工字鋼棚支護(hù)時(shí)需3～5人配合施工，鋼棚安裝勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大，支護(hù)時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)高；而液壓矩形鋼棚在支護(hù)時(shí)，只需1人操作即可，操作方便，降低了支護(hù)勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。

4）實(shí)用性強(qiáng)：液壓矩形鋼棚可應(yīng)用于不同斷面采掘巷道內(nèi)，而且還可用于橋梁、隧道等領(lǐng)域中，實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣。

3.2 支護(hù)缺點(diǎn)

由于巷道內(nèi)粉塵濃度大、鋼棚密封性差，導(dǎo)致粉塵進(jìn)入局部密封原件，造成鋼棚支護(hù)失效等，所以需定期清理鋼棚內(nèi)粉塵；鋼棚體積大、重量大，在搬運(yùn)時(shí)勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大[6]。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至477 m處時(shí)對(duì)巷道頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)巷道安裝液壓矩形鋼棚，鋼棚安裝間距為1.5 m，截止2020年12月3日運(yùn)輸順槽已掘進(jìn)至524 m處，巷道已完全過F5斷層應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力區(qū)內(nèi)共計(jì)架設(shè)20架鋼棚，應(yīng)力區(qū)安裝鋼棚后，對(duì)應(yīng)力區(qū)頂板安裝1臺(tái)YH-300型數(shù)字顯示離層儀，通過15 d現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在0～8 d范圍內(nèi)鋼棚支護(hù)后雖然對(duì)頂板起到控制作用，但是頂板出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，頂板局部出現(xiàn)下沉，在8～13 d范圍頂板蠕動(dòng)變形現(xiàn)象逐漸降低，鋼棚對(duì)頂板起到耦合支護(hù)作用，在13 d后頂板穩(wěn)定不再變形，實(shí)測(cè)頂板最大下沉量為0.14 m。

5 結(jié)語

巷道掘進(jìn)過程中經(jīng)常遇斷層、陷落柱、地塹等地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造侵入掘進(jìn)煤層后破壞了煤層整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，并在圍巖體內(nèi)形成松動(dòng)圈。在圍巖破碎區(qū)內(nèi)采用單一的錨桿（索）支護(hù)時(shí)不僅支護(hù)數(shù)量多、支護(hù)成本費(fèi)用高，而且支護(hù)失效率高、支護(hù)效果差，無法滿足應(yīng)力區(qū)巷道支護(hù)需求；103運(yùn)輸順槽對(duì)應(yīng)力區(qū)采取液壓矩形鋼棚支護(hù)后，有效控制了頂板變形、下沉現(xiàn)象，防止了應(yīng)力區(qū)頂板垮落事故發(fā)生，保障了巷道安全快速掘進(jìn)，取得了顯著應(yīng)用成效。