晓南矿  冯青林 田盛时

摘要  研制出架体可展开支撑顶板，能够主动给空顶区较强的初撑力，支护省时省力，操作快捷的掘进机机载临时支护装置，在掘进工作面投入使用后，取得了较好的效果，宜向各矿山企业进行推广。

关键词机载支护掘进机空顶区域临时支护

1 引言

晓南矿巷道掘进施工工艺循环为：截割→退机→敲帮问顶→临时支护→永久支护→再截割。传统的临时支护流程如图1所示：掘进机割出2m的空顶区域后，倒退至待机区。多名掘进人员协同作业，先接设锚网，再安装挑顶环（用来将挑顶杆悬挂在顶板上），安装挑顶架（用来固定挑顶杆后端），最后纵向安装约3.5m长的挑顶杆探至空顶区。挑顶架前轻后重，依据杠杆原理，将钢筋梯挑起，在钢筋梯内孔的预留位置上，用锚杆机打注锚杆，安锚杆托盘，完成对顶板的支护。

2提出问题

传统的临时支护，全过程均为人工操作，步骤较多，视顶板情况安设二套或三套挑顶架、挑顶杆、挑顶环，来挑起钢筋梯。此流程以下问题：对顶板没有初撑力，属于被动支护，安全可靠性差；流程十分繁琐，需前后人员配合娴熟，且易出现人身磕碰情况；挑顶杆与顶板为点接触，挑顶纵深范围仅为2m，不能完全贴合顶板。

面对以上不足，如何结合掘进工作面实际情况，以掘进机为载体，研制机械液压一体化装置，使临时支护更快速、可靠，有效解决临时支护施工中，人力、物力高投入问题。

3分析问题

3.1机载支护设计方案

晓南矿自行研发机载临时支护装置，其结构完全展开如图2所示，折叠后如图3所示。架体由前至后分别为接顶内梁、接顶外梁、旋转内臂×2、旋转外臂×2，组成了支撑体，油缸由前至后分别为伸缩缸、调角缸×2、内置缸×2、旋转缸×2，提供了伸展、折叠的动力，各铰接处销轴共16根，以使架体、油缸、掘进机有机连接成为整体。

图1 传统的临时支护形式

图2 机载临时支护的展开图

图3 机载临时支护的折叠图

液压结构如图4所示，分别由五联阀组×1、分流集流阀×2、双向锁×3、板式平衡阀×4及各种胶管、接头等组成。从掘进机联阀组件取油，通过五联阀组控制各缸体：二个内置油缸分别由2片阀控制，实现旋转内臂的不同步升降，以满足顶板不平时的情况；旋转油缸由1片阀控制，实现旋转臂的转动，调角油缸由1片阀控制，实现接顶外梁的水平接顶，单伸缩油缸由1片阀控制，实现接顶内梁的向前伸出。

图4 机载临时支护液压系统原理图

3.2分析因素

在设计该机载支护时，主要从以下6个方面分析考虑。

3.2.1功能性

传统挑顶杆临时支护的有效支护距离仅为2m，而机载支护的设计有效支护距离要达到3m以上。掘进机截割部上部空间能够提供约2.4m的长度，以此确定了机载支护的接顶部位采用二级“抽屉”式抽拉模式，接顶外梁长约1.9m，接顶内梁长约1.5m，接顶面积约3m×1.5m。

接顶内梁在伸出过程中，是将垂直向下的锚网逐渐推向水平，为了防止棱角刮伤、损坏锚网，接顶内梁前部采用整体弯曲成型，两端的切角配合圆角，可平顺的与锚网接触，不会刮伤锚网。接顶内梁的梯形斜边上，有三角形的凸起，形成矩形槽，可利用槽固定钢筋梯和接顶木拌，防止其纵向滑动。

3.2.2强度及重量

架体采用Q345牌号钢制作，其性能适宜切削加工和焊接加工。较高的机械强度能够确保顶板有异常情况时，架体提供较大的支撑力。因其是以掘进机的截割部为载体进行安装，掘进机行走及作业时，机载支护的主体是折叠后伏在截割部上，所以要求其整体重量尽可能的轻，避免因过重而导致回转工作台、回转支承、紧固螺栓、销轴衬套等零部件因承受载荷过大而导致使用寿命的缩短，机载临时支护的全部重量不能超过0.7t，大部分架体结构决定采用70×70×5mm方焊管、δ8mm钢板焊接成型。

3.2.3操作视线

在掘进机作业时，机载支护是处于收缩折叠状态的。为了不影响司机的操作视线，使其能够尽量直观的观察截割头截割情况。机载支护的高度应最大化的降低，避免司机因无法观察到截割头截割顶帮煤岩的情况，进而造成顶帮超挖和刮碰顶帮锚杆及锚网。两侧的调角缸位置是在旋转臂正上方靠里侧布置，折叠后，可让出旋转臂的空间，进一步下降高度；接顶外梁二侧面方焊管的位置，是在调角缸正上方靠里侧布置，折叠后，可让出调角缸的空间，这样可以有效的降低收缩折叠后的整体高度。

接顶外梁中间的二根连接横梁，在使用中不是主要承重部位，仅起连接二侧纵梁的作用。所以，采用扁形60×30×3mm方焊管靠下布置，以减少对司机视线的遮挡。

3.2.4防交叉干涉

机载支护在接顶的过程中，已打注锚杆、锚索的突出部分会对接顶外梁的移动、上升产生影响，为了避免、减少刮碰。接顶外梁的俯视投影面积要尽可能的小。所以，只在梁的中间设置了一个伸缩缸。最后一道梁的位置也尽可能的靠前布置。

3.2.5保护

首先是对人的保护，机载支护伸展后，人员要在其下方作业，为避免液压系统突然失效，油缸收缩，架体下落而伤及人员，装置上设置了3组双向锁和2组平衡阀。锁和阀的布置尽可能靠近油缸，在伸展后发挥作用，对人员提供保护。锁和阀布置的越远离油缸，发生液压事故的概率越大。

其次是对液压元件的保护，掘进工作面存在掉落碎块的风险，油缸杆、双向锁、阀、接头被岩块砸中会降低密封性，甚至会失去作用。在它们的正上方均设置有护板，以防碎块砸坏。

3.2.6防震

在掘进机截割时，机载支护会随着截割部做剧烈的震动。为防止销轴的串出、丢失，各处销轴均设计有卡板，个别处于震动强烈位置的销轴，在其另一端加工出螺纹，拧紧带孔的螺母，孔内穿入开口销，防止串出。为防止接顶外梁的震动，进而影响调角缸的寿命，在截割作业时，用夹子将接顶外梁分别同左右旋转外臂固定，使其形成一个整体，防止震动对其产生影响。

3.3受力计算

要在假定铰接点稳固不破坏的前提下，接顶内梁完全伸出的状态下，对受力1.5t和0.75t二种情况进行分析：

图5 受力1.5t和0.75t时的分析

3.3.1接顶内梁受力1.5t时

接顶内梁及接顶外梁模型分析如图5所示，最大位移出现在接顶内梁最前端，形变量约为56mm。

最大应力点为接顶内梁根部与外梁接触位置，最大应力为383MPa，Q345刚屈服强度为345MPa，抗拉强度为490～675MPa，抗剪强度为0.7～0.8抗拉强度。可知，在顶板掉落岩石质量达到1.5t时，内梁一定会出现变形，内梁和外梁的最大应力点存在破断的可能。因为所受应力超过屈服，所以安全系数偏低，约为0.96。通过分析，机载支护无法独自承载1.5t掉落岩块的能力，在接顶外梁两侧方焊管70×70×5mm的最前端，增焊80×80×8mm方焊管，在该处薄弱点进行补强。

3.3.2接顶内梁受力0.75t时

接顶内梁及接顶外梁模型分析如图5所示，最大位移出现在接顶内梁最前端，形变量约为26mm。

最大应力点为接顶内梁根部与外梁接触位置，最大应力为191.8MPa，安全系数1.8。

在车间制作组装后，实际进行了加载试验，在最前端加载0.8t的重物，10min型变量约29mm。

经分析，机载支护可独自承载0.75t掉落岩块的能力，配合DW31.5-30/100B型单体液压支柱，安全系数大幅提升，可承载岩块的重量也大幅增加。

在接顶外梁两侧及接顶内梁的中间，共焊接三个能够固定单体支柱的卡位圆环。

3.3.3受力1.5t（忽略自重）

对油缸进行校核，旋转油缸所受拉力：15000N×5234=424×T  

T=185165.1N

自重：伸缩内梁185kg，伸缩外梁320kg，伸缩外梁重心距离铰接点3900mm，

自重对旋转油缸的拉力为：

（185+320）×10×3900=424×T´   

T´=46450.5N

T_总=185165.1+46450.5=231615.6N     约为23.2t等效力

旋转油缸的力臂是个浮动值，会随着运动改变，约为424～520mm，选最小值计算。

旋转油缸额定拉力为16MPa×S=16MPa×5030mm²=80480N，约为8t等效力。

结论：不安全

3.3.4受力0.75t（忽略自重）

对油缸进行校核，旋转油缸所受拉力：7500N×5234=424×T  

 T=92582.5N

自重：伸缩内梁185kg，伸缩外梁320kg，伸缩外梁重心距离铰接点3900mm，

自重对旋转油缸的拉力为：

（185+320）×10×3900=424×T´   

T´=46450.5N

T_总=92582.5+46450.5=139033N     约为13.9t等效力

旋转油缸调整至125mm缸径，正向安装额定拉力为

16MPa×S=16MPa×7245.3mm²=115924.8N    约为11.6t等效力

结论：不安全

3.2.5旋转油缸倒装的情况

额定拉力为：16MPa×S=16MPa×12271.8mm²=196348.8N    约为19.6t等效力

经校核，旋转油缸倒装，满足使用要求。

4解决问题                                                 

4.1机载支护的安装及联动试运转

在车间试验合格后，拆解、入井组装并进行试运转。首先，确定分解程度，避免因过度分解而导致井下组装任务量的增加。接顶内梁插接进接顶外梁，并用伸缩油缸连接为1组；用内置缸将旋转内臂和旋转外臂连接为左右2组；其他油缸、销轴、液压元件等，采取保护、固定措施后，运往工作面掘进机旁。

将掘进机截割部降至底板，拆下截割部盖板，停机闭锁。将截割部与回转工作台连接的销轴拆除，安设机载支护的特制悬臂销轴，旋转油缸倒装，缸杆朝向销轴并固定在销轴上。将截割减速机与截割升降油缸的连接销拆除，安设机载支护的特制悬臂销轴，旋转臂最前端固定在销轴上，借助起重机调整旋转臂，将旋转缸末端的铰接孔对准旋转外臂上的预留铰接孔，并穿销轴。将接顶内梁—伸缩缸—接顶外梁整体起重吊装，将接顶外梁末端的二个铰接孔分别对正二个旋转内臂上的铰接孔，并穿销轴。吊起接顶内梁最前端，使接顶外梁随之前端仰起，安设两侧的调角缸并穿销轴固定。至此，架体部分、油缸部分安装完毕，进入液压系统安装阶段。

将六联操作阀固定在操作台上盖板处，将3个双向锁、4个分流集流阀、2个平衡阀分别固定在预留位置，用KJR10-32胶管、接头、三通等将阀、锁、缸连接起来，如图6所示，形成液压系统。随后，对其进行联动试运转，观察架体结构动作的准确、顺畅性，调整液压系统的压力，布置管线。完毕后，投入使用。

机载临时支护率先在晓南矿二水平北一15层轨道中巷及北一1506回风顺槽投入使用，它提高了支护作业的效率和安全性，员工在熟练掌握使用机载支护后，有效缩短了临时支护所使用的时间，比传统的人工使用挑顶杆临时支护更快捷，也提高了对空顶区域的安全可控性。

图6 机载临时支护液压系统接管图

4.2机载临时支护创新点

机载支护以掘进机截割部为平台进行安装，能够自由随掘进机行走，以掘进机系统本身的双联柱塞泵提供动力，以多路控制阀控制各部的动作，实现液压机械一体化，使掘进机截割与支护交替作业。它从根本上改变了传统临时支护的功能和形式，通过有效的给顶板主动施加初撑力，避免了工人在空顶区作业，增加了锚护作业时工作人员的安全性，实现了锚网、钢筋梯的机械化敷设，降低了工人的劳动强度。机载临时支护装置用时展开，不用时折叠，液压缸驱动，操作简易、方便，减少了支护辅助时间，提高了效率。进行拓展后，可与不同品牌、型号掘进机有机结合，亦不影响掘进机自身性能。

4.3经济效益

机载支护在晓南矿投入使用后，为井下各掘进队提高了支护作业效率，节约了人工，每年为矿节约生产成本91.36万元。

5 结  语

机载临时支护装置解决了掘进生产中遇到的实际问题，取得了较好的安全和经济效益。

参考文献

[1] 成大先. 机械设计手册第六版[M].北京：化学工业出版社，2016.

[2] 杨培元. 液压系统设计手册[M].北京：机械工业出版社，2017.

作者简介 冯青林（1974—）男，工程师，1995年毕业于阜新煤炭工业学校测量专业，现在铁法能源公司晓南矿担任掘进矿长职务。联系电话：15941050987。