掘進巷道超前支護研究報告(鑒定材料之二)黃陵礦

1、綜掘工作面圍巖控制支護技術與裝備研究報告4.3掘進巷道超前支護裝備結構設計4.3.1裝置的結構、尺寸根據309進風順槽斷面形狀尺寸、巷道內設備布置方式及通風要求等，確定掘進巷道超前支護裝置高度2.23.5m，支護寬度4.1m，支護長度為7.3m。由于掘進頭有綜掘機進行掘進作業(yè)，有時還要布置通風筒等設施，為保證掘進頭有足夠的空間方便掘進施工組織和作業(yè)，設計的掘進巷道超前支護裝置斷面為框架式，占用巷道空間少。圖4-2為交錯式掘進超前支護液壓支架設計斷面圖。圖4-2 掘進巷道超前支護裝備斷面圖該掘進巷道超前支護裝置采用了兩組橫梁加順梁的復合頂梁，并通過立柱支撐的框架交錯式結構。兩組復合頂梁互為支撐，

2、通過位于頂梁內的移架千斤頂相互推拉行走。在移架過程中，兩組頂梁交替支撐，始終有一組處于接頂狀態(tài)；支撐頂板的一組同時也為降架的一組提供行走滑道。同時通過兩組順梁的合理分布布置，在滿足接頂支護的同時，留設了允許打錨桿作業(yè)的順梁間隙。采用鉸接順梁，前端設卷網和導網機構。圖4-3為設計的交錯式掘進超前支護裝置結構示意圖。圖4-3 掘進巷道超前支護備裝置結構示意圖4.3.2主要機構及作用（1）順梁順梁機構直接與掘進巷道的頂板接觸，對頂板形成支撐，是整套掘進巷道超前支護裝置的主要承載部件之一，其主要作用包括：l 直接承受頂板壓力；l 為巷道的掘進工作提供足夠的安全空間，防止松動和冒落的頂板巖石砸傷人員和設

3、備；l 同時也是自移行走時的滑道和導向機構。設計掘進巷道超前支護裝置的順梁為排式交錯剛性順梁，整體鉸接結構。剛性順梁采用高強鋼板拼焊箱形變斷面結構，兩條主筋形成整個順梁外形，順梁相對較短，為整體排式，強度好，性能可靠。順梁還在相應的一組支架降架時，搭接在支撐頂板的一組支架的橫梁上，既起到吊掛相應支架的作用，又起到滑道和移動導向的作用。（2）橫梁橫梁上部與順梁鉸接，下部與立柱相連，橫梁之間采用移架千斤頂連為一個整體。橫梁結構是整個支架的主要連接和掩護部件，其主要作用包括：l 承受支架順梁作用的水平分力和側向力，增強支架的抗扭性能；l 橫梁與立柱、推移機構相連接，帶動順梁自由移動，從而實現(xiàn)掘進巷道

4、超前支護裝置的前進與后退。另外，由于橫梁承受的彎矩和扭矩較大，工作狀況惡劣，所以橫梁必須具有足夠的強度和剛度。本支架的橫梁為整體箱形變斷面結構，用鋼板拼焊而成。為保證橫梁的強度，在它與立柱、推移機構連接部位都設計有加強結構。（3）推移機構支架的推移機構主要由移架千斤頂和銷軸等組成，作用是推移整個掘進巷道超前支護裝置。（4）輔助支護機構輔助支護機構包括：前梁、前梁千斤頂和銷軸等，主要作用是輔助掘進巷道的永久性支護作業(yè)。（5）立柱立柱通過頂梁承受頂板的載荷，是支架的主要承載部件，要求立柱有足夠的強度，工作可靠，使用壽命長。立柱結構形式為單伸縮形式，使用方便，可靠性高，便于維護。主要由缸體、活柱、導

5、向套及各種密封件組成。立柱初撐力通常是指立柱大腔在泵站壓力下的支撐能力。初撐力的大小，直接影響支架的支護性能，合理地選擇支架的初撐力，可以減緩頂板的下沉，對頂板的管理有利。立柱的工作阻力，是指在外載荷作用下，立柱大缸下腔壓力增壓，當壓力超過控制立柱的安全閥調定壓力時，安全閥泄液，立柱開始卸載，此時立柱所能承受的力即為工作阻力。（6）移架千斤頂位于前后兩架中間的移架千斤頂，其作用是推移裝置和拉移裝置，根據所需要的拉架力和推架力確定。移架千斤頂由缸體、活塞、活塞桿、導向套及密封件等組成。（7）前梁千斤頂前梁千斤頂位于順梁后部，前端鉸接頂住前梁，后端與橫梁相接。其主要作用是控制前梁的伸出與收回。其主

6、要作用是在永久性支護過程中，鋼帶與網的運輸和接頂。護壁千斤頂主要由缸體、活塞、活塞桿、導向套及各種密封件組成。（8）液壓系統(tǒng)設計掘進巷道超前支護裝置的液壓系統(tǒng)，由主進液管、主回液管、各種液壓元件、立柱及各種用途千斤頂組成。采用快速接頭和U形卡及O形密封圈連接，拆裝方便，性能可靠。在主進、回液到操縱閥之間，裝有球形截止閥，過濾器，回油斷路閥等，可根據需要接通或關閉某架液路，可以維修某一架膠管及液壓元件，過濾器能過濾主進液管來的高壓液，防止臟物雜質進入架內管路系統(tǒng)。設計支架液壓系統(tǒng)所使用的乳化液由乳化油與水配制而成的，乳化油的配比濃度為5%。4.3.3主要結構特點圖4-4為設計交錯式掘進超前支護裝

7、置實物照片，其主要結構特點如下：圖4-4 掘進巷道超前支護裝備（1）支架采用四梁分前后兩組（1、3梁）、（2、4梁）架的框架交錯式結構。在巷道掘進過程中相互推拉，并保證在移架過程中始終有一組梁處于接頂狀態(tài)。（2）架前組順梁為前探結構形式，便于進行鋪聯(lián)網作業(yè)，并能夠更好地支護掘進巷道的頂板。架順梁亦為分體結構，前段為前梁結構，與后兩段通過銷軸進行連接，此種結構形式更有利于支架隨巷道縱向變化時的接頂狀態(tài)。（3）采用多柱式支撐，整體鉸接的框架結構，具有較好的穩(wěn)定性，且初撐力較小，易于頂板的控制。（4）保證綜掘機始終在掘進巷道超前支護裝置下作業(yè)，有效地保證了作業(yè)人員和設備的安全；并且作業(yè)人員在有掩護的

8、情況下，可全方位、多角度地同時對巷道頂板及兩幫進行永久性支護作業(yè)，支護效率得到了提高。（5）臨時支護緊跟掘進工作面，巷道實現(xiàn)一次性支護。根據巷道壓力情況設計的支護強度，配合安設的調壓閥組，確定合理的支架初撐力，滿足支護和移架的要求；避免了初撐力過大時，支架反復支撐對頂板的破壞。（6）采用獨立的立柱連接形式，這樣不僅節(jié)省了支架的內部空間，還縮短了頂梁的控頂距離，能夠在移架過程中起到穩(wěn)定支架的作用。（7）架順梁上設置有前梁千斤頂，適當?shù)目s小了前部立柱空間，顯著減少了前探梁低頭的現(xiàn)象。在前、后組移架過程中，順梁處于接頂狀態(tài)，起到輔助推架和拉架以及支撐的作用。前、后兩組框架通過移架千斤頂和相互依托的導

9、向裝置相連接，更適合支架的直線運動，且穩(wěn)定性較好。（8）為了便于支架的運輸、安裝和拆卸，連接橫梁采用單根布置方式；并且在滿足工阻要求的前提下，支架所有結構件的外型尺寸應盡可能的小，所以將前梁、順梁、橫梁以及立柱、千斤頂?shù)仍O計成長度較短、重量較輕的結構形式。（9）由單獨配置的乳化液泵站提供掘進巷道超前支護裝置的動力，通過對操作手閥的控制，實現(xiàn)支架的自移行走和各種動作。4.4支架主要技術參數(shù)支架高度： 2.23.5m支架長度： 7.26m支架寬度： 4.1m額定工作阻力：（P=28MPa） 2880KN初撐力：（P=12MPa） 2376.8KN支護強度：（平均） 0.13MPa對底板比壓：（平均

10、） 3.62MPa推移步距： 1000mm適應巷道傾角： 12立柱缸徑： 100柱徑： 80行程： 1555mm初撐力：（P=12MPa） 94.2KN工作阻力：（P=28MPa） 220KN數(shù)量： 8根移架千斤頂缸徑/桿徑： 125/85行程： 1000mm推力/拉力：（P=12MPa） 147.2/79.2KN數(shù)量： 2根前梁千斤頂缸徑/桿徑： 80/60行程： 160mm推力/拉力：（P=12MPa） 60.2/26.3KN數(shù)量： 5根4.5強度、移架力等驗算4.5.1支護強度驗算裝置為平頂巷道矩形斷面剛性支護構件。（1）初撐力驗算工作面煤層偽頂在部分區(qū)域分布，巖性為炭質泥巖，隨掘隨冒，

11、一般厚度小于0.1m。支護范圍內，隨掘隨冒偽頂巖層荷載為：Q= b L B 其中巖體容重，27KN/m3b巖體厚度，取0.3mL支架長度，7.3mB巷道寬度，4.6mQ =0.3m7.3 m4.6m27KN/m3 =272.0KN裝置的初撐力P=376.8KN，大于巖層載荷272.0KN。滿足使用要求。（2）工作阻力驗算巷道內裝置所應承載的頂板巖石破碎帶高度按普氏免壓拱高計算：普氏免壓拱高: b=B/2f頂式中：B巷道掘進跨度，B=4.6mf頂頂板巖石普氏系數(shù)，f頂取3.2b =4.6/（23.2）=0.719m故巖石破碎帶高度為0.719m。則在L=7.3m的支護范圍內，頂板的最大載荷為：Q

12、= b L B 其中巖體容重，27KN/m3Q =0.719m7.3 m4.6m27KN/m3 =652.0KN裝置的工作阻力P=880KN，大于最大載荷652KN。滿足使用要求。4.5.2移架力驗算前后兩組架連接和移動由移架千斤頂控制，推架和拉架時兩個千斤頂共同作用，整個支架重量約為10t，其中前組架重量約為4t、后組架重量約為6t。拉架力（P=12 MPa）P推= 147.2 KN2=294KN=29.4 tP拉= 79.2 KN2=158KN=15.8 tP實推拉=6 t0.2=1.2 tP反阻力=94.240.2=75.4 KN=7.6 t滿足移架及拉架的要求。4.5.3供液方式和容量

13、驗算立柱缸徑=100mm；行程L =1555mm；數(shù)量8根L立總=r2Ln =3.1450215558 =97654000mm3移架千斤頂缸徑=125mm；行程L =1000mm；數(shù)量2根L移總=r2Ln =3.1462.5210002 =24531250mm3前梁千斤頂缸徑=80mm；行程L =160mm；數(shù)量5根L前總=r2Ln =3.144021605 =4019200mm3L總= L立總+ L移總+ L前總= 126204450mm3=126.2L所有千斤頂都處于滿負荷工作狀態(tài)。4.5.4控頂效果有限元模擬模擬采用ADINA大型非線性有限元工程分析軟件。設計模型掘進巷道高度2.6m、寬

14、度4.6m，直接頂巖層厚度6.0m，老頂巖層厚度20m，直接底巖層厚度3.0m，老底巖層厚度20.0m，巷旁圍巖寬度20.0m。掘進巷道上下圍巖和左右圍巖向外延伸跨度均大于巷道高度和跨度的5倍。模型底部邊界施加豎向位移約束，側向邊界施加橫向位移約束。模型荷載為巖層自重，巷道荷載為支架工作阻力。ADINA分析模型邊界條件見圖4-5。分析計算選用Mohr-Coulomb彈塑性模型。煤巖彈性模量、泊松比、容重、內摩擦角、內聚力等參數(shù)見表4-2。表4-2 圍巖材料參數(shù)巖層容重(kN/m3)泊松比彈性模量E(MPa)內摩擦角()內聚力C(MPa)煤14000.252.0104331.0泥巖25000.3

15、52.0105331.5砂巖27000.255.0105332.5圖4-6為支護前、支架初撐力50%和100%時模擬的巷道圍巖垂直應力云圖。從中可以看出：如不及時進行臨時支護，巷道頂板圍巖變形將發(fā)展到老頂巖層，嚴重時會有離層、冒頂；隨著支架接頂，控頂效果開始體現(xiàn)；正常工作時，頂板圍巖變形可得到有效控制，變形基本限定在架上23m范圍內，可保證錨桿、錨索等永久支護效果。巷道底板卸壓區(qū)顯示有可能發(fā)生底鼓。圖4-5 模型邊界條件圖圖4-6-3 100%初撐力巷道圍巖垂直應力云圖4.6掘進臨時支護工藝研究傳統(tǒng)掘進與永久支護的工藝順序大致為：掘進機掘進1m左右，停機，工人到迎頭鋪網，打錨桿支護。本項目通過

16、研究，將掘進與永久支護之間用臨時支護設備加以過渡，采用掘進巷道超前支護裝置配合掘進機，及時地對頂板進行臨時支護；并根據頂板和圍巖的具體條件，在掘進巷道超前支護裝置的下方進行打錨桿等永久支護。309進風順槽的掘進采用“三八”制作業(yè)，“零點班、四點班”正常生產，八點班進行設備檢修；循環(huán)進度5m，日循環(huán)個數(shù)4個，日進尺20m。正常掘進時，掘進巷道超前支護裝置支護掘進工作面的頂板，綜掘機割煤后，打錨桿等永久支護完全在臨時支護裝置的掩護下進行作業(yè)。完成一個循環(huán)后，操縱液壓控制系統(tǒng)，使掘進巷道超前支護裝置向前移動，支撐底板，為下一循環(huán)做準備。表4-3 正規(guī)循環(huán)作業(yè)圖表309進風順槽采用EBZ160型掘進機

17、，沿煤層頂?shù)装寰蜻M并自行完成裝煤運煤。掘進機采用橫向往復式截割，截割時將截割頭調至巷道中，由巷道下部開口進刀，割出橫槽，然后由下向上截割，進刀深度為0.8m，若截割斷面與設計尺寸有差別，可進行二次修整。操作流程：在巷道掘進過程中，在頂板較平整且相對穩(wěn)定（無掉矸或有少量掉矸）的情況下，掘進機掘進一個循環(huán)步距5m；掘進結束后，掘進機后退，并前移掘進巷道超前支護裝置，裝置移動前作業(yè)人員須先將頂網聯(lián)好，以便在超前支護裝置前移過程中實現(xiàn)自動鋪頂網；待掘進巷道超前支護裝置移動到位后，開始進行頂板以及兩幫的永久支護；永久支護作業(yè)完畢之后，掘進機拖拽皮帶前行，準備進行下一工藝循環(huán)。若掘進時遇到斷層等地質構造，

18、造成頂板破碎、易掉矸的情況，工作面須短掘短支，循環(huán)進尺縮短為2m。一個循環(huán)結束后，由專人進行敲幫問頂（作業(yè)人員必須在掘進巷道超前支護裝置的可控范圍內操作），將兩幫及頂部的片幫煤、活矸處理干凈，隨后再掛網并將超前支護裝置前移。在構造帶內，因局部頂板破碎、掉矸等原因造成的頂板不平整，致使掘進巷道超前支護裝置順梁的著力點較少，邁步前移較為困難的情況，可采?。海?）適當減小裝置的移動步距（步距為01m，范圍可調），使順梁能夠有較多接觸著力點；（2）必要時可在順梁與巷道頂板之間墊加枕木，給予順梁更多的著力點，從而保證整個掘進巷道超前支護裝置的支撐有力、平穩(wěn)，并能夠穩(wěn)步前移；（3）加快裝置的移架速度，盡快

19、完成鋪網作業(yè)，裝置移動一個循環(huán)步距后，及時有效地進行永久支護。頂錨桿、幫錨桿支護須緊跟工作面進行，錨索梁支護則緊跟裝置尾部；（4）頂板破碎時須加強頂板的支護，適當?shù)乜s小錨桿、錨索梁的間排距，確保裝置移過之后頂板支護的安全。在掘進巷道超前支護裝置操作過程中，應注意：l 立柱降柱的標準為支架的順梁剛剛脫離頂板，能順利移架為宜；l 立柱的初撐力根據巷道情況而定，參考壓力表讀數(shù)及移架力的要求進行合理調整；l 在支架的推進和支護過程中應時刻注意順梁的接頂狀態(tài)。圖4-7 掘進狀態(tài)配套示意圖4.7選材與制造4.7.1選材（1）結構件選材及性能本套設備結構件選材以Q550鋼材為主。Q550鋼板，屈服強度s為5

20、50MPa，抗拉強度b為650820MPa，選用鞍鋼或本鋼優(yōu)質板材。（2）立柱千斤頂選材及性能所有立柱、千斤頂?shù)墓懿?，包括活塞桿均選用27SiMn材質，屈服強度s為835MPa，抗拉強度b為980MPa，延伸率12%。（3）銷軸材質支架所有連接銷軸材料均選用30CrMnTi，抗拉強度b為1470MPa，延伸率9%，機加工后進行淬火處理，并控制表面硬度在HRC35-40，HB330-375之間，經鍍鋅處理。（4）其他液壓系統(tǒng)選材所有立柱、千斤頂?shù)拿芊獠捎脟鴥葍?yōu)質聚氨酯材料。支架所用各種液壓膠管采用埃迪亞（沈陽）公司（沈陽橡四）產品。主進、回液分別采用13。相應至操縱閥管徑為13，操縱閥至立柱下腔

21、為10管徑、至推移缸下腔為10管徑。立柱雙向鎖為125L/min。支架主供液管路配置球形截止閥，主回液管路配置回液斷路閥。每根立柱都安裝有125L/min安全閥。安全閥開啟壓力不超過設定值的110%，關閉壓力不低于調定值的90%。4.7.2質量保證措施（1）構件材料質量保證各種板材的采購，均由我公司采購部從鋼廠直接購進，每一批板均經過嚴格的檢驗，并附有相應的爐次、成份單，進廠后，對不同批次的高強度板還要進行成份抽樣化驗，并做試樣進行性能試驗。（2）下料購進的鋼板其表面均有一層氧化皮，有的還會有油污等，這些雜質均會不同程度地影響焊接質量和外觀質量。因此我公司在鋼板下料前，在鋼板預處理生產線上對鋼

22、板進行表面處理，清除油污、氧化皮。l 鋼板預處理后，鋼板表面氧化皮清除，不但提高下料件的切割質量，下料件光潔度、直線度也大大提高。l 氧化皮主要由三氧化二鐵和結晶水組成，對焊接極為不利，容易造成焊縫夾渣、焊接冷裂紋等。因此，鋼板預處理后，還可以提高焊接質量。l 鋼板經過預處理后，可以大大提高噴漆的附著力，減少結構件的銹蝕，提高使用壽命。12mm的鋼板下料時選用數(shù)控切割機，12mm的鋼板選用剪板機下料，下料后在壓力機矯平，平面度在2mm/1000以內。（3）坡口和銑邊采用小型數(shù)控切割設備和專用工裝進行坡口切割，并使用專用銑床對關鍵主筋的焊接面進行銑邊處理。（4）結構件拼裝工藝鉚工拼裝在平臺上劃線

23、裝配或拼裝芯軸和定位胎具，保證裝配間隙02mm以內，使裝配生產的拘束應力降到最?。灰鬃冃翁幵黾庸に囍?。組對時進行定位焊，定位焊焊條選用沖擊韌性好的低氫堿性焊條，低強匹配，焊角高68mm，長2050mm，間隔200300mm。直流反接，使用前經350400烘焙，保溫2h，放于保溫筒內隨用隨取，定位焊的位置和尺寸不能影響焊接接頭的質量，要求在正式焊接前定位焊焊縫牢固不開裂，并清凈焊渣、飛濺。如果開裂，則需要碳弧氣刨或角向磨光機清除掉焊點，重新定位焊，避免裂紋源的存在。（5）焊接焊工要求達到中級以上水平，持證上崗。焊接設備選用逆變焊機，質量可靠，焊接采用混合氣體保護焊。焊接材料控制選用超低氫型實芯

24、焊絲，焊接材料進廠時質量保證書應完整清楚，焊接保護氣體采用液態(tài)CO2集中管道供氣，保證了保護氣體的高純度要求。在高強度板結構件焊接時，采取焊前預熱處理，我公司具有較大型封閉式預熱爐可以對結構件進行預熱處理，達到預熱溫度后，經查驗合格后立即施焊，以保證層間溫度不低于不產生裂紋的預熱溫度。中間環(huán)節(jié)由檢驗人員用點溫儀巡檢，層間溫度低于最低預熱溫度要求時，要求重新進行預熱。（6）焊后消除內應力拼焊后的箱型結構件不可避免地產生一定的內應力，隨著時間的推移，內應力對承載結構件的強度有可能會造成較大的影響。通過大型熱處理回火爐，可對結構件進行整體消除焊接應力處理，并采用“不完全回火應力消除法”。通過確定合理

25、的工藝參數(shù)來保證結構件達到：l 改善焊接接頭的組織和性能，軟化淬硬區(qū)，降低硬度，提高塑性、韌性，防止焊接結構件的脆性破壞。l 松弛或消除焊接應力，防止延遲裂紋的產生和發(fā)展，提高焊接結構件的使用可靠性和壽命。l 提高耐腐蝕性能。l 消氫、防止產生冷裂紋。保證了整體結構件不但具有較高的強度，而且具有很好的韌性，充分滿足設計和使用的要求。（7）結構件鉸接孔加工、工藝及檢測采用專用的結構件鉸接孔整體加工組合鏜床，可整體加工支架頂梁、掩護梁、底座等大型結構件的各種鉸接孔，以被加工結構件的孔系尺寸為依據，通過調整各動力頭之間的中心距和中心高來保證零件尺寸精度。消除劃線、找正、拉坐標、旋轉工作臺及二次裝夾誤

26、差。保證每批結構件各孔中心距公差的一致性要求，互換性好。保證結構件孔與軸的配合間隙達到1mm。檢測時，采用檢驗芯軸與測量工具相結合手段，確保鉸接孔的正確尺寸公差和形位公差范圍。（8）立柱、千斤頂加工缸體加工：采用帶鋸下料粗加工熱處理調質精加工的工藝方案。內孔加工在深孔鉆鏜床上采用粗鏜精鏜滾壓復合工藝，精度可達IT9級以上，內表面粗糙度Ra0.4以下，從而有效的提高缸體內表面的耐腐蝕性和耐磨性，并能顯著提高密封件的使用壽命。導向套等盤套類零件加工：毛坯用模鍛件，采用粗加工熱處理精加工表面鍍鋅的工藝方案。精加工全都在數(shù)控機床上加工，加工精度可達IT8以上。活柱、活塞桿加工：采用帶鋸下料粗加工熱處理精加工表面鍍乳白鉻硬鉻工藝方案?；钪?、活塞桿密封槽的精加工全部在數(shù)控機床上進行，密封面的磨削在精密外園磨床上分粗磨精磨工序，粗糙度可達Ra0.2，直線度、圓度在0.005mm以下。（9）電鍍活柱先磨，然后酸洗除銹，再除酸，用乳白鉻打底，打底厚0.040.05mm,再鍍硬鉻，鍍層總厚0.070.09mm，鍍后拋光，粗糙度達到Ra0.4。 255 工業(yè)性試驗與應用情況此掘進巷道超前支護裝置于2011年9月在陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦309掘進工作面安裝試用，至2011年12月累計掘進