CN109113772B - 一种大循环巷道掘进临时支护装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大循环巷道掘进临时支护装置及其方法，包括护顶框架和支柱，所述护顶框架设有伸缩的支撑横梁，伸缩结构的支撑横梁能够根据巷道掘进尺寸需求进行更改尺寸，以提高本发明的使用范围。本发明的设计方法是可以根据不同掘巷尺寸进行临时支护装置设计，根据此方法设计的临时支护装置在巷道掘进期间连续使用两套或两套以上对掘巷空顶区域进行临时支护，不仅实现一次性长距离掘进，解决掘进与支护工序频繁交替作业带来的掘巷效率低问题。同时，根据该方法设计的临时支护装置既能满足安全作业支护要求，又能最大程度较低工人劳动强度，利于工人安全作业。

Description

一种大循环巷道掘进临时支护装置及其方法

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种大循环巷道掘进临时支护装置。

背景技术

煤炭是国民经济和社会发展的基础，快速增长的经济对煤炭需求量提出了更高的要求。在巨大的煤炭需求量刺激下，为保证煤炭产量大多数矿井常常会布置两个或两个以上工作面进行煤炭生产。工作面增加的同时，造成承担运输、通风等辅助煤炭生产的掘巷数量相应增加。回采工作面相比于掘巷迎头机械化程度无疑要高得多，往往出现本工作面已采完，下个工作面辅助巷道未完成施工，造成采掘接替紧张，影响煤炭正常生产。

针对目前机械化掘巷工艺出现的采掘接替紧张现状，国内外许多学者研究发现影响快速掘进的主要因素在于掘进机截割和巷道支护，二者用时大约占整个施工用时的70％以上。而临时支护作为掘进与支护工序的中间工序，其工序的有效性不仅是实现一次长距离掘进作业的基础，也是掘巷后后续工序能否安全施工的重要保障，成为解决快速掘进问题的关键技术。临时支护问题的解决会大大提高掘进速度，进而解决采掘接替紧张现状。目前，井下掘进工作面所采用的临时支护方式有前探梁支护、“戴帽点柱”支护及“单体+π梁”支护。然而，现有的临时支护方式在一定的程度上存在很大的局限性，支护效果并不理想。对于前探梁支护来说，未能对顶板提供主动支护阻力，顶板破碎程度较大时，掘巷距离相应缩短并需进行及时支护，故而造成掘进、支护工序交替频繁，不利掘进工序系统化，掘进效率低；“戴帽点柱”支护对于顶板完整性要求较高，同时单体支护阻力扩散范围有限，不利于顶板维护，存在安全隐患；“单体+π梁”支护虽能有效护顶，但在安装时工人劳动强度较大，π梁在单体支柱受扰动时易掉落砸伤工人，存在安全隐患。

发明内容

针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种大循环巷道掘进临时支护装置。本发明可以根据不同掘巷尺寸改变尺寸，并且既能有效支护顶板，实现安全大循环掘进，又能降低工人劳动强度，且有普遍适用性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种大循环巷道掘进临时支护装置，包括护顶框架和支柱，所述护顶框架设有伸缩的支撑横梁，伸缩结构的支撑横梁能够根据巷道掘进尺寸需求进行更改尺寸，以提高本发明的使用范围。

所述支撑横梁，包括伸缩梁和轨道梁，在轨道梁的一端内设置有伸缩轨道，伸缩梁的一端滑动安装在伸缩轨道内并设置有防脱块，防脱块将伸缩梁限位在伸缩轨道内，伸缩梁的另一端与护顶框架的竖梁固定，轨道梁的另一端与护顶框架的另一竖梁固定。伸缩梁在轨道梁内滑动实现伸缩，并由防脱块实现限位作用，防止伸缩梁从轨道梁内脱落。

为了结构的稳定性以及使用寿命长，在伸缩梁和竖梁之间设置有固定梁，固定梁的一端固定在竖梁，固定梁的另一端与伸缩梁固定连接。因为伸缩梁的尺寸是小于轨道梁的，而固定梁是与轨道梁是一样的尺寸，所以为了结构的稳定性以及使用寿命，将伸缩梁设置在两者之间。

在伸缩梁上安装有补位触顶板，补位触顶板的设置是为了弥补伸缩横梁带来的局部无法触顶缺陷。

所述的补位触顶板长度与伸缩梁的长度相等，其长度不大于巷道宽度的/；并同时保证，单体支撑横梁收缩后，护顶框架可在巷道掘进迎头空间内自由旋转。

为了进一步加强本发明，在支撑横梁上安装有限位补强控顶夹。

所述限位补强控顶夹，包括限位补强夹和补强控顶夹，限位补强夹安装在伸缩梁和轨道梁接触处的限位补强孔内，对伸缩梁起到固定、补强作用，在伸缩梁的限位补强孔内、轨道梁的限位补强孔内均安装有一个补强控顶夹，因为补强控顶夹具有一个凸出的板，所以对于掘巷期间连续使用两套及两套以上本发明进行临时支护时，有效消除框架对接中心区域顶板空顶隐患，保证掘进迎头安全施工。并且所述限位补强控顶夹两夹腿表面铺设一层1mm～2mm厚的橡胶层，防止限位补强控顶夹与限位补强孔之间直接刚性接触，利于各构件在使用过程中的保护。

所述支撑横梁为至少两个，各支撑横梁之间中心对称分布，这个结构的设置是为了确保支撑时伸缩部分不位于同一区域，伸缩部分交错式设置能使相邻区域的顶部能至少有一个是直接触顶的。

而大循环巷道掘进临时支护装置的设计方法，步骤如下：

S1，确定单个临时支护装置的支护参数；

所述支护参数包括支护框架的宽度、长度以及支护区域；

S1.1，将掘进巷道锚索在护顶框架上循环排距确定护顶框架宽度；

S1.2，根据掘进成巷宽度和掘进机铲板宽度，确定护顶框架的长度及支撑区域；

S2，计算掘巷空顶区域冒落带的参数；

所述冒落带的参数包括冒落带的高度H和冒落带岩石重量R_max；

S2.1，计算冒落带的高度H：

其中，B是巷道掘进宽度；f是岩石坚固性系数；

S2.2，计算冒落带岩石重量R_max：

R_max＝ρ×g×L×S×H；

其中，ρ是顶板冒落带范围内的岩石密度；g是重力加速度，取9.8m/s；L是临时支护装置的排距；S是护顶框架长度；

S3，根据护顶框架的断面参数计算支撑横梁的弯曲强度σ_f：

其中，p是外加载荷；l是支撑横梁与支柱铰接处的间距；b是支撑横梁的厚度；h是支撑横梁的宽度；

S4，计算支柱的工作阻力P_max并进行选型：

其中，R_max是冒落带岩石重量，a是临时支护装置的数量；d是单个支柱主体直径。

并且大循环巷道掘进临时支护装置的使用方法，步骤如下：第一步，将已收缩的护顶框架放在掘进机机载托架上，拉伸支撑横梁使其完全伸展，随后将三个限位补强控顶夹依次插入限位补强孔内，并将后续永久支护用到的材料依次放在护顶框架上，按照支护作业规程要求，调整其排距。

第二步，利用掘进机机载托架将护顶框架及其上表面放置的材料慢慢托起，直至离触顶还有20～30mm时停止；这时工人慢慢调整护顶框架位置及其上表面放置的支护材料位置，必须保证已支护的锚索托盘与护顶框架边缘成同一水平面。

第三步，升起机载托架使护顶框架及其上表面放置的支护材料触顶。

用单体液压支柱铰接在支撑横梁的铰接处，调整单体液压支柱的高度。

第四步，临时支护装置安装完成后，工人退出掘进头，掘进机继续掘进，再进行临时支护装置安装。

第五步，再次重复第一步至第三步，完成第三套临时支护装置安装，此时掘进机退出掘进迎头，给工人支护锚网索提供足够的空间。

第六步，利用机载托架将护顶框架取下并收缩放置巷道一旁，单体液压支柱立在巷道一旁；开启掘进机对巷道两帮进行刷帮整形，再补打巷道两帮锚杆，完成永久支护。

本发明通过改变伸缩梁在轨道梁内的位置以适应不同掘巷尺寸，并且在巷道掘进期间连续使用两套或两套以上对掘巷空顶区域进行临时支护，不仅实现一次性长距离掘进，解决掘进与支护工序频繁交替作业带来的掘巷效率低问题。还既能满足安全作业支护要求，又能最大程度较低工人劳动强度，利于工人安全作业。并且本发明的设计方法是可以根据不同掘巷尺寸进行临时支护装置设计，根据此方法设计的临时支护装置在巷道掘进期间连续使用两套或两套以上对掘巷空顶区域进行临时支护，不仅实现一次性长距离掘进，解决掘进与支护工序频繁交替作业带来的掘巷效率低问题。同时，根据该方法设计的临时支护装置既能满足安全作业支护要求，又能最大程度较低工人劳动强度，利于工人安全作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明支撑横梁结构示意图。

图3是本发明支撑横梁收缩后结构示意图。

图4是本发明限位补强夹结构示意图。

图5是本发明支柱结构示意图。

图6是在掘巷期间连续使用三套本发明的结构示意图。

图7是本发明俯视图。

图8是本发明实现一次大循环巷道掘进临时支护过程图之一。

图9是本发明实现一次大循环巷道掘进临时支护过程图之二。

图10是本发明实现一次大循环巷道掘进临时支护过程图之三。

图11是本发明实现一次大循环巷道掘进临时支护过程图之四。

图12是本发明实现一次大循环巷道掘进临时支护过程图之五。

图13是本发明实现一次大循环巷道掘进临时支护过程图之六。

1-竖梁，2-支撑横梁，3-限位补强控顶夹，4-支柱，201-伸缩梁，202-轨道梁，2020-伸缩轨道，203-固定梁，204-补位触顶板，205-限位补强孔，301-限位补强夹，302-补强控顶夹。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种大循环巷道掘进临时支护装置，如图1所示，包括护顶框架和支柱4，所述护顶框架设有伸缩的支撑横梁2，伸缩结构的支撑横梁能够根据巷道掘进尺寸需求进行更改尺寸，以提高本发明的使用范围。所述支撑横梁2为至少两个，各支撑横梁2之间中心对称分布，这个结构的设置是为了确保支撑时伸缩部分不位于同一区域，伸缩部分交错式设置能使相邻区域的顶部能至少有一个是直接触顶的。本实施例中，所述支柱4采用液压支柱，如图5所示。

具体地，所述支撑横梁2，如图2、3和7所示，包括伸缩梁201和轨道梁202，在轨道梁202的一端内设置有伸缩轨道2020，伸缩梁201的一端滑动安装在伸缩轨道2020内并设置有防脱块，防脱块将伸缩梁201限位在伸缩轨道2020内，伸缩梁201的另一端与护顶框架的竖梁1固定，轨道梁202的另一端与护顶框架的另一竖梁1固定。伸缩梁在轨道梁内滑动实现伸缩，并由防脱块实现限位作用，防止伸缩梁从轨道梁内脱落。

支撑横梁2的两侧设置有与液压支柱4连接的铰接部，铰接部的截面为波浪形，卡设在液压支柱中平台的螺柱之间。

为了结构的稳定性以及使用寿命长，在伸缩梁201和竖梁1之间设置有固定梁203，固定梁203的一端固定在竖梁1，固定梁203的另一端与伸缩梁201固定连接。因为伸缩梁的尺寸是小于轨道梁的，而固定梁是与轨道梁是一样的尺寸，所以为了结构的稳定性以及使用寿命，将伸缩梁设置在两者之间。

为了弥补伸缩横梁带来的局部无法触顶缺陷，在伸缩梁201上安装有补位触顶板204。

并且所述的补位触顶板204长度与伸缩梁的长度相等，其长度不大于巷道宽度的1/4；并同时保证，单体支撑横梁2收缩后，护顶框架可在巷道掘进迎头空间内自由旋转。

为了进一步加强本发明，在支撑横梁2上安装有限位补强控顶夹3。

所述限位补强控顶夹3，如图4所示，包括限位补强夹301和补强控顶夹302，限位补强夹301安装在伸缩梁201和轨道梁202接触处的限位补强孔205内，对伸缩梁201起到固定、补强作用，在伸缩梁201的限位补强孔205内、轨道梁202的限位补强孔205内均安装有一个补强控顶夹302，因为补强控顶夹302具有一个凸出的板，所以对于掘巷期间连续使用两套及两套以上本发明进行临时支护时，有效消除框架对接中心区域顶板空顶隐患，保证掘进迎头安全施工，三套连接配合示意图如图6所示。并且所述限位补强控顶夹3两夹腿表面铺设一层1mm～2mm厚的橡胶层，防止限位补强控顶夹3与限位补强孔205之间直接刚性接触，利于各构件在使用过程中的保护。

实施例2：

大循环巷道掘进临时支护装置的设计方法，步骤如下：

S1，确定单个临时支护装置的支护参数。

所述支护参数包括支护框架的宽度、长度以及支护区域。

S1.1，将掘进巷道锚索在护顶框架上循环排距确定护顶框架宽度。

S1.2，根据掘进成巷宽度和掘进机铲板宽度，确定护顶框架的长度及支撑区域。

S2，计算掘巷空顶区域冒落带的参数。

所述冒落带的参数包括冒落带的高度H和冒落带岩石重量R_max。

S2.1，计算冒落带的高度H：

其中，B是巷道掘进宽度；f是岩石坚固性系数。

S2.2，计算冒落带岩石重量R_max：

R_max＝ρ×g×L×S×H；

其中，ρ是顶板冒落带范围内的岩石密度；g是重力加速度，取9.8m/s；L是临时支护装置的排距；S是护顶框架长度。

S3，根据护顶框架的断面参数计算支撑横梁的弯曲强度σ_f：

其中，p是外加载荷；l是支撑横梁与支柱铰接处的间距；b是支撑横梁的厚度；h是支撑横梁的宽度。

S4，计算支柱的工作阻力P_max并进行选型：

其中，R_max是冒落带岩石重量，a是临时支护装置的数量；d是单个支柱主体直径。

实施例3：

大循环巷道掘进临时支护装置的使用方法，如图8-13所示，步骤如下：

第一步，将已收缩的护顶框架放在掘进机机载托架上，拉伸单体支撑横梁2使其完全伸展，随后将三个限位补强控顶夹3依次插入限位补强孔202内，并将后续永久支护用到的材料如：金属网、W钢带等依次放在护顶框架上，按照支护作业规程要求，调整其排距。

第二步，利用掘进机机载托架将护顶框架及其上表面放置的材料慢慢托起，直至离触顶还有20～30mm时停止。这时工人慢慢调整护顶框架位置及其上表面放置的支护材料位置，必须保证已支护的锚索托盘与护顶框架边缘成同一水平面。

第三步，伸起机载托架使护顶框架及其上表面放置的支护材料触顶。

用单体液压支柱铰接在单体支撑横梁单体铰接处，调整单体液压支柱使其上升高度合适。特别注意单体与巷道底板接触部位，如遇掘巷矸石或煤渣一定要处理或背实，以保证单体液压支柱的稳定性。此过程为一次掘进1600mm进行临时支护如图9所示。

第四步，临时支护完成后，工人退出掘进头，掘进机继续掘进1600mm，再进行临时支护，其操作过程重复上述第一、二、三步，如图10所示。

第五步，再次重复上述步骤完成第三套临时支护装置安装，此时掘进机退出掘进迎头，给工人支护锚网索提供足够的空间，完成永久支护，如图11～12所示。

第六步，利用机载托架将护顶框架取下收缩放置巷道一旁，单体液压支架立在巷道一旁。开启掘进机对巷道两帮进行刷帮整形，再补打巷道两帮锚杆，完成永久支护。

上述步骤实施完毕为一次大循环掘进临时支护，如图13所示。根据此方法设计的临时支护装置在巷道掘进期间连续使用两套或两套以上对掘巷空顶区域进行临时支护，不仅实现一次性长距离掘进，解决掘进与支护工序频繁交替作业带来的掘巷效率低问题。同时，根据该方法设计的临时支护装置既能满足安全作业支护要求，又能最大程度较低工人劳动强度，利于工人安全作业。

上面所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大循环巷道掘进临时支护装置，包括护顶框架和支柱(4)，其特征在于：所述护顶框架设有伸缩的支撑横梁(2)；

所述支撑横梁(2)，包括伸缩梁(201)和轨道梁(202)，在轨道梁(202)的一端内设置有伸缩轨道(2020)，伸缩梁(201)的一端滑动安装在伸缩轨道(2020)内并设置有防脱块，防脱块将伸缩梁(201)限位在伸缩轨道(2020)内，伸缩梁(201)的另一端与护顶框架的竖梁(1)固定，轨道梁(202)的另一端与护顶框架的另一竖梁(1)固定；

在伸缩梁(201)和竖梁(1)之间设置有固定梁(203)，固定梁(203)的一端固定在竖梁(1)，固定梁(203)的另一端与伸缩梁(201)固定连接；

在伸缩梁(201)上安装有补位触顶板(204)；

在支撑横梁(2)上安装有限位补强控顶夹(3)；

所述限位补强控顶夹(3)，包括限位补强夹(301)和补强控顶夹(302)，限位补强夹(301)安装在伸缩梁(201)和轨道梁(202)接触处的限位补强孔(205)内，在伸缩梁(201)的限位补强孔(205)内、轨道梁(202)的限位补强孔(205)内均安装有一个补强控顶夹(302)；

所述支撑横梁(2)为至少两个，各支撑横梁(2)之间中心对称分布；

所述大循环巷道掘进临时支护装置的设计方法步骤如下：

S1，确定单个临时支护装置的支护参数；

所述支护参数包括支护框架的宽度、长度以及支护区域；

S1.1，将掘进巷道锚索在护顶框架上循环排距确定护顶框架宽度；

S1.2，根据掘进成巷宽度和掘进机铲板宽度，确定护顶框架的长度及支撑区域；

S2，计算掘巷空顶区域冒落带的参数；

所述冒落带的参数包括冒落带的高度H和冒落带岩石重量R_max；

S3，根据护顶框架的断面参数计算支撑横梁的弯曲强度σ_f：

其中，p是外加载荷；l是支撑横梁与支柱铰接处的间距；b是支撑横梁的厚度；h是支撑横梁的宽度；

S4，计算支柱的工作阻力P_max并进行选型：

其中，R_max是冒落带岩石重量，a是临时支护装置的数量；d是单个支柱主体直径。

2.如权利要求1中所述的大循环巷道掘进临时支护装置，其特征在于：在步骤S2中，具体步骤如下：S2.1，计算冒落带的高度H：

其中，B是巷道掘进宽度；f是岩石坚固性系数；

S2.2，计算冒落带岩石重量R_max：

R_max＝ρ×g×L×S×H；

其中，ρ是顶板冒落带范围内的岩石密度；g是重力加速度，取9.8m/s；L是临时支护装置的排距；S是护顶框架长度。

3.如权利要求1中所述的大循环巷道掘进临时支护装置的使用方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，将已收缩的护顶框架放在掘进机机载托架上，拉伸支撑横梁使其完全伸展，随后将三个限位补强控顶夹依次插入限位补强孔内，并将后续永久支护用到的材料依次放在护顶框架上，按照支护作业规程要求，调整其排距；

第二步，利用掘进机机载托架将护顶框架及其上表面放置的材料慢慢托起，直至离触顶还有20～30mm时停止；这时工人慢慢调整护顶框架位置及其上表面放置的支护材料位置，必须保证已支护的锚索托盘与护顶框架边缘成同一水平面；

第三步，升起机载托架使护顶框架及其上表面放置的支护材料触顶；

用单体液压支柱铰接在支撑横梁的铰接处，调整单体液压支柱的高度；

第四步，临时支护装置安装完成后，工人退出掘进头，掘进机继续掘进，再进行临时支护装置安装；

第五步，再次重复第一步至第三步，完成第三套临时支护装置安装，此时掘进机退出掘进迎头，给工人支护锚网索提供足够的空间；

第六步，利用机载托架将护顶框架取下并收缩放置巷道一旁，单体液压支柱立在巷道一旁；开启掘进机对巷道两帮进行刷帮整形，再补打巷道两帮锚杆，完成永久支护。