炮掘工作面放炮后臨時(shí)支護(hù)的安全評(píng)估

炮掘工作面放炮后臨時(shí)支護(hù)的安全評(píng)估

鄭煤集團(tuán)米村煤礦道路開挖工作通常采用u鋼格提升管。隨著煤礦提升管理體制的不斷完善，大型u鋼格修理廠得到了廣泛應(yīng)用。但是,炮掘工作面放炮后臨時(shí)支護(hù)采用傳統(tǒng)的人工上梁方式,這就造成了放炮后上梁時(shí)存在頂煤冒落的安全隱患,不但增加了掘進(jìn)工作面人員配備,而且增大了職工勞動(dòng)強(qiáng)度。通過對(duì)架棚巷道支護(hù)工藝的分析研究,米村煤礦吸取其他各類前探梁的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),研制出一種新型礦用U型鋼前探梁支護(hù)裝置。平地試驗(yàn)及井下試用表明,該裝置能較好地消除以往架棚工藝環(huán)節(jié)中的弊端。1梁式設(shè)計(jì)分析1.1自動(dòng)化上梁器設(shè)計(jì)原則上梁器支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合煤礦井下需用設(shè)備的相關(guān)要求,支護(hù)強(qiáng)度能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)圍巖和頂板條件變化,要確保上梁裝置快速、靈活移動(dòng),并要保證自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定牢固,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化動(dòng)力源,必須充分考慮井下現(xiàn)有系統(tǒng),提高動(dòng)力系統(tǒng)的適應(yīng)性,上梁器要實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化?；谏鲜隼砟钤O(shè)計(jì)的上梁器如圖1所示。1.2固定巷道內(nèi)移動(dòng)固定結(jié)構(gòu)一般有支撐式、懸掛式、鑲嵌式等幾種常見形式。為便于在井下狹小固定巷道內(nèi)移動(dòng),首先排除支撐式結(jié)構(gòu),因支撐式結(jié)構(gòu)大大減小了巷道有效使用斷面,阻礙巷道內(nèi)通風(fēng)、行人、運(yùn)料等需要。鑲嵌式由于前移不便,不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化;而懸掛式能充分利用巷道內(nèi)剩余斷面,節(jié)省鋼材消耗。1.3上梁器麻黃地層支撐力分析該上梁器在動(dòng)力選擇上綜合考慮井下現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng),最大限度減少二次投入。米村礦井下常用的動(dòng)力系統(tǒng)有壓風(fēng)系統(tǒng)和電力系統(tǒng),在設(shè)計(jì)初期選擇了80型液壓泵提供動(dòng)力,但液壓泵體積及質(zhì)量大,配套設(shè)施較多,且移動(dòng)不便,在隨工作面延伸過程中需多次進(jìn)行前移,在本套系統(tǒng)中使用性較差。米村礦井下有完善的壓風(fēng)管路系統(tǒng),為適應(yīng)掘進(jìn)需要,工作面掘進(jìn)工程中壓風(fēng)管路隨時(shí)向前延伸,而氣動(dòng)液壓泵體積小,質(zhì)量輕,移動(dòng)靈活方便,工作可靠,安全性能高,利于設(shè)備的前移及維護(hù)。由圖1可知,上梁器前臂梁的運(yùn)行軌跡為一弧形,其支撐力計(jì)算可取有代表性的3處:最低處受力、水平位置受力、最高處受力。最低處與水平位置支撐力只需考慮支撐U型鋼梁質(zhì)量,最高處支撐力要大于頂板破碎帶壓力,支撐力分析如圖2所示。G1為前臂梁所受重力,G2為前臂梁托起的U型鋼梁所受重力,F為液壓缸此時(shí)所提供的推力,F1、F2為F的分力,l1、l2分別為G1、G2和F提的力臂。AB為前臂梁長(2.2m),h為前臂梁與液壓缸間高度(0.6m)。根據(jù)杠桿原理可得:F提×l2=G1l1+G2l2(1)1.3.1f提法推導(dǎo)最低處受力分析示意如圖2(a)所示。F提為前臂梁的拉力F2′與液壓缸推力在水平方向的分力F1的合力?？紤]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,取前臂梁上仰角度β=30°,由式(1)可以得出F提=1288N。根據(jù)力的合成可以求出:F2′=F提/sin30°=2575N(2)F1=F提/tan30°=2230N(3)根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系,可以得出F2′=F2(4)根據(jù)力的合成,可以求出當(dāng)U型鋼梁剛剛被抬起時(shí)液壓缸所要提供的推力F,根據(jù)余弦定理可得:cosα=F2+F22?F122F×F2(5)cosα=F2+F22-F122F×F2(5)得出F=4050N。1.3.2求f0.2水平位置受力分析如圖2(b)所示。由式(1)可求出F2=1288N。根據(jù)力的合成可以求出此時(shí)液壓缸所提供的推力F,即F=F2/sinα=4895N(6)1.3.3型鋼梁的合成最高處受力分析示意如圖2(c)所示?？紤]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,前臂梁上仰角β取10°,即β=γ=10°,由式(1)可以得出F2=1288N。根據(jù)力的合成,可以求出此時(shí)液壓缸所提供的推力F,即F=F2/sin(α+β)=3125N(7)由以上可知:當(dāng)前臂梁位于水平位置時(shí),托起U型鋼梁所用力最大,即4895N。另計(jì)算在上升過程中頂煤可能冒落高度2m,12m2U型鋼頂板懸露面積1.6m2,煤的容重為14.1kN/m3,冒落后產(chǎn)生的載荷為:ρ載=ρ煤×H煤×S=45120N。選用動(dòng)力系統(tǒng)時(shí),動(dòng)力系統(tǒng)的最大壓力應(yīng)能支撐U型鋼梁所需最大力與頂煤冒落產(chǎn)生載荷的總和。1.3.4氣動(dòng)泵產(chǎn)生的重經(jīng)過認(rèn)真篩選,選用2ZBQ10/10型氣動(dòng)泵提供動(dòng)力,該氣動(dòng)泵可提供的最大工作壓力為15MPa,前臂梁下液壓缸內(nèi)徑為50mm,計(jì)算得出產(chǎn)生的最大力為29437.5N。因上梁器采用雙液壓缸,則液壓缸產(chǎn)生的最大力為58875N,大于托起U型鋼梁所需最大力與頂煤冒落產(chǎn)生載荷之和50015N。2ZBQ10/10型氣動(dòng)泵流量為20L/min;最高壓力為15MPa;驅(qū)動(dòng)氣壓為0.5MPa;壓縮空氣耗量≤0.7m3/min;外形尺寸為1100mm×450mm×580mm;質(zhì)量為100kg。1.4臂梁與雙作用單桿基本靜態(tài)活動(dòng)上梁器采用雙作用單桿活塞液壓缸實(shí)現(xiàn)邁步前移,具體前移過程為:前臂梁與雙作用單桿活塞懸掛于U型鋼梁上,雙作用單桿活塞同時(shí)下降,通過作用力使吊掛裝置上升,啟動(dòng)雙作用單桿活塞前移,推動(dòng)吊掛裝置前移,吊掛裝置固定牢靠后,回縮雙作用單桿活塞完成前移過程。1.5上梁裝置的改造通過上述分析,得出最優(yōu)方案:選用懸掛式結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)快速、靈活移動(dòng),利用上梁裝置與固定裝置鉸接,來實(shí)現(xiàn)整體的穩(wěn)定、可靠,利用2ZBQ10/10型氣動(dòng)乳化液泵站提供高壓動(dòng)力源,利用雙作用單桿活塞汽缸來實(shí)現(xiàn)裝置的前移與U型鋼梁的升降,保證該上梁裝置的完全自動(dòng)化。2工作原則為防止液壓缸自動(dòng)射壓下落,每個(gè)液壓缸上都加裝了1個(gè)SSF.OOA雙向鎖,通過乳化液的注液和回液來實(shí)現(xiàn)U型鋼梁的上下調(diào)節(jié)。3推進(jìn)油缸的改造該上梁器設(shè)計(jì)加工成功后,分別在260071運(yùn)輸巷、21總回風(fēng)巷、26煤柱回風(fēng)巷掘進(jìn)工程中試用改進(jìn)。該上梁器在實(shí)際使用過程中可實(shí)現(xiàn)放炮后的第一時(shí)間內(nèi)超前護(hù)頂,由于采用液壓動(dòng)力,支護(hù)強(qiáng)度較大,能滿足實(shí)際護(hù)頂需要,U型鋼梁直接通過該上梁器送到規(guī)定位置,無需人工抬梁,大大減輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了掘進(jìn)安全系數(shù)。在掘進(jìn)過程中,針對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行了認(rèn)真改進(jìn),將推進(jìn)油缸加長為3.0m,移動(dòng)一次上梁器可架4棚,減少每班移動(dòng)上梁器次數(shù);通過改進(jìn)固定裝置,使上梁器在固定期間能達(dá)到穩(wěn)、平、直的要求,為正常升梁提供可靠保障,縮短了該裝置移動(dòng)1次所需時(shí)間;通過優(yōu)化高壓管連接方式,改善了該裝置的管路雜亂問題。以上改進(jìn)以及試用均取得較好的效果。4采空?qǐng)鱿锏腊踩?jīng)濟(jì)效益(1)經(jīng)濟(jì)效益。該裝置的推廣應(yīng)用取代了以往老式前探梁,減少了架棚時(shí)人員配備,提高了職工勞動(dòng)工效。原前探梁臨時(shí)支護(hù)上梁時(shí)需配備4人,現(xiàn)掘進(jìn)巷道可實(shí)現(xiàn)直接升梁,每班可減少人員配備2人,使用該上梁器后,每個(gè)掘進(jìn)施工地點(diǎn)可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益30.66萬元/a,按12個(gè)掘進(jìn)施工地點(diǎn)計(jì)算,每年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益367.92萬元。(2)安全效益。自動(dòng)邁步上梁器的研制成功,能在放炮后第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)超前護(hù)頂,操作方便,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升梁,減輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度,避免了以往帶梁時(shí)的空頂作業(yè),職工可在安全的環(huán)境下進(jìn)行施工作業(yè),有效保證了施工人員的安全。5液壓自動(dòng)慢轉(zhuǎn)式上梁器主要特點(diǎn)液壓自動(dòng)邁步式上梁器結(jié)構(gòu)簡單,輕便靈活,操作非常方便,在米村礦推廣應(yīng)用后,能有效及時(shí)支護(hù)頂板,減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,最大限度防止了掘進(jìn)工作面冒頂事故的發(fā)生,促進(jìn)了巷道的安全高效掘進(jìn)。液壓自動(dòng)邁步式