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1、综掘工作面围岩控制支护技术与装备研究报告4.3掘进巷道超前支护装备结构设计4.3.1装置的结构、尺寸根据309进风顺槽断面形状尺寸、巷道内设备布置方式及通风要求等，确定掘进巷道超前支护装置高度2.23.5m，支护宽度4.1m，支护长度为7.3m。由于掘进头有综掘机进行掘进作业，有时还要布置通风筒等设施，为保证掘进头有足够的空间方便掘进施工组织和作业，设计的掘进巷道超前支护装置断面为框架式，占用巷道空间少。图4-2为交错式掘进超前支护液压支架设计断面图。图4-2 掘进巷道超前支护装备断面图该掘进巷道超前支护装置采用了两组横梁加顺梁的复合顶梁，并通过立柱支撑的框架交错式结构。两组复合顶梁互为支撑，
2、通过位于顶梁内的移架千斤顶相互推拉行走。在移架过程中，两组顶梁交替支撑，始终有一组处于接顶状态；支撑顶板的一组同时也为降架的一组提供行走滑道。同时通过两组顺梁的合理分布布置，在满足接顶支护的同时，留设了允许打锚杆作业的顺梁间隙。采用铰接顺梁，前端设卷网和导网机构。图4-3为设计的交错式掘进超前支护装置结构示意图。图4-3 掘进巷道超前支护备装置结构示意图4.3.2主要机构及作用（1）顺梁顺梁机构直接与掘进巷道的顶板接触，对顶板形成支撑，是整套掘进巷道超前支护装置的主要承载部件之一，其主要作用包括：l 直接承受顶板压力；l 为巷道的掘进工作提供足够的安全空间，防止松动和冒落的顶板岩石砸伤人员和设
3、备；l 同时也是自移行走时的滑道和导向机构。设计掘进巷道超前支护装置的顺梁为排式交错刚性顺梁，整体铰接结构。刚性顺梁采用高强钢板拼焊箱形变断面结构，两条主筋形成整个顺梁外形，顺梁相对较短，为整体排式，强度好，性能可靠。顺梁还在相应的一组支架降架时，搭接在支撑顶板的一组支架的横梁上，既起到吊挂相应支架的作用，又起到滑道和移动导向的作用。（2）横梁横梁上部与顺梁铰接，下部与立柱相连，横梁之间采用移架千斤顶连为一个整体。横梁结构是整个支架的主要连接和掩护部件，其主要作用包括：l 承受支架顺梁作用的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能；l 横梁与立柱、推移机构相连接，带动顺梁自由移动，从而实现掘进巷道
4、超前支护装置的前进与后退。另外，由于横梁承受的弯矩和扭矩较大，工作状况恶劣，所以横梁必须具有足够的强度和刚度。本支架的横梁为整体箱形变断面结构，用钢板拼焊而成。为保证横梁的强度，在它与立柱、推移机构连接部位都设计有加强结构。（3）推移机构支架的推移机构主要由移架千斤顶和销轴等组成，作用是推移整个掘进巷道超前支护装置。（4）辅助支护机构辅助支护机构包括：前梁、前梁千斤顶和销轴等，主要作用是辅助掘进巷道的永久性支护作业。（5）立柱立柱通过顶梁承受顶板的载荷，是支架的主要承载部件，要求立柱有足够的强度，工作可靠，使用寿命长。立柱结构形式为单伸缩形式，使用方便，可靠性高，便于维护。主要由缸体、活柱、导
5、向套及各种密封件组成。立柱初撑力通常是指立柱大腔在泵站压力下的支撑能力。初撑力的大小，直接影响支架的支护性能，合理地选择支架的初撑力，可以减缓顶板的下沉，对顶板的管理有利。立柱的工作阻力，是指在外载荷作用下，立柱大缸下腔压力增压，当压力超过控制立柱的安全阀调定压力时，安全阀泄液，立柱开始卸载，此时立柱所能承受的力即为工作阻力。（6）移架千斤顶位于前后两架中间的移架千斤顶，其作用是推移装置和拉移装置，根据所需要的拉架力和推架力确定。移架千斤顶由缸体、活塞、活塞杆、导向套及密封件等组成。（7）前梁千斤顶前梁千斤顶位于顺梁后部，前端铰接顶住前梁，后端与横梁相接。其主要作用是控制前梁的伸出与收回。其主
6、要作用是在永久性支护过程中，钢带与网的运输和接顶。护壁千斤顶主要由缸体、活塞、活塞杆、导向套及各种密封件组成。（8）液压系统设计掘进巷道超前支护装置的液压系统，由主进液管、主回液管、各种液压元件、立柱及各种用途千斤顶组成。采用快速接头和U形卡及O形密封圈连接，拆装方便，性能可靠。在主进、回液到操纵阀之间，装有球形截止阀，过滤器，回油断路阀等，可根据需要接通或关闭某架液路，可以维修某一架胶管及液压元件，过滤器能过滤主进液管来的高压液，防止脏物杂质进入架内管路系统。设计支架液压系统所使用的乳化液由乳化油与水配制而成的，乳化油的配比浓度为5%。4.3.3主要结构特点图4-4为设计交错式掘进超前支护装
7、置实物照片，其主要结构特点如下：图4-4 掘进巷道超前支护装备（1）支架采用四梁分前后两组（1、3梁）、（2、4梁）架的框架交错式结构。在巷道掘进过程中相互推拉，并保证在移架过程中始终有一组梁处于接顶状态。（2）架前组顺梁为前探结构形式，便于进行铺联网作业，并能够更好地支护掘进巷道的顶板。架顺梁亦为分体结构，前段为前梁结构，与后两段通过销轴进行连接，此种结构形式更有利于支架随巷道纵向变化时的接顶状态。（3）采用多柱式支撑，整体铰接的框架结构，具有较好的稳定性，且初撑力较小，易于顶板的控制。（4）保证综掘机始终在掘进巷道超前支护装置下作业，有效地保证了作业人员和设备的安全；并且作业人员在有掩护的
8、情况下，可全方位、多角度地同时对巷道顶板及两帮进行永久性支护作业，支护效率得到了提高。（5）临时支护紧跟掘进工作面，巷道实现一次性支护。根据巷道压力情况设计的支护强度，配合安设的调压阀组，确定合理的支架初撑力，满足支护和移架的要求；避免了初撑力过大时，支架反复支撑对顶板的破坏。（6）采用独立的立柱连接形式，这样不仅节省了支架的内部空间，还缩短了顶梁的控顶距离，能够在移架过程中起到稳定支架的作用。（7）架顺梁上设置有前梁千斤顶，适当的缩小了前部立柱空间，显著减少了前探梁低头的现象。在前、后组移架过程中，顺梁处于接顶状态，起到辅助推架和拉架以及支撑的作用。前、后两组框架通过移架千斤顶和相互依托的导
9、向装置相连接，更适合支架的直线运动，且稳定性较好。（8）为了便于支架的运输、安装和拆卸，连接横梁采用单根布置方式；并且在满足工阻要求的前提下，支架所有结构件的外型尺寸应尽可能的小，所以将前梁、顺梁、横梁以及立柱、千斤顶等设计成长度较短、重量较轻的结构形式。（9）由单独配置的乳化液泵站提供掘进巷道超前支护装置的动力，通过对操作手阀的控制，实现支架的自移行走和各种动作。4.4支架主要技术参数支架高度： 2.23.5m支架长度： 7.26m支架宽度： 4.1m额定工作阻力：（P=28MPa） 2880KN初撑力：（P=12MPa） 2376.8KN支护强度：（平均） 0.13MPa对底板比压：（平均
10、） 3.62MPa推移步距： 1000mm适应巷道倾角： 12立柱缸径： 100柱径： 80行程： 1555mm初撑力：（P=12MPa） 94.2KN工作阻力：（P=28MPa） 220KN数量： 8根移架千斤顶缸径/杆径： 125/85行程： 1000mm推力/拉力：（P=12MPa） 147.2/79.2KN数量： 2根前梁千斤顶缸径/杆径： 80/60行程： 160mm推力/拉力：（P=12MPa） 60.2/26.3KN数量： 5根4.5强度、移架力等验算4.5.1支护强度验算装置为平顶巷道矩形断面刚性支护构件。（1）初撑力验算工作面煤层伪顶在部分区域分布，岩性为炭质泥岩，随掘随冒，
11、一般厚度小于0.1m。支护范围内，随掘随冒伪顶岩层荷载为：Q= b L B 其中岩体容重，27KN/m3b岩体厚度，取0.3mL支架长度，7.3mB巷道宽度，4.6mQ =0.3m7.3 m4.6m27KN/m3 =272.0KN装置的初撑力P=376.8KN，大于岩层载荷272.0KN。满足使用要求。（2）工作阻力验算巷道内装置所应承载的顶板岩石破碎带高度按普氏免压拱高计算：普氏免压拱高: b=B/2f顶式中：B巷道掘进跨度，B=4.6mf顶顶板岩石普氏系数，f顶取3.2b =4.6/（23.2）=0.719m故岩石破碎带高度为0.719m。则在L=7.3m的支护范围内，顶板的最大载荷为：Q
12、= b L B 其中岩体容重，27KN/m3Q =0.719m7.3 m4.6m27KN/m3 =652.0KN装置的工作阻力P=880KN，大于最大载荷652KN。满足使用要求。4.5.2移架力验算前后两组架连接和移动由移架千斤顶控制，推架和拉架时两个千斤顶共同作用，整个支架重量约为10t，其中前组架重量约为4t、后组架重量约为6t。拉架力（P=12 MPa）P推= 147.2 KN2=294KN=29.4 tP拉= 79.2 KN2=158KN=15.8 tP实推拉=6 t0.2=1.2 tP反阻力=94.240.2=75.4 KN=7.6 t满足移架及拉架的要求。4.5.3供液方式和容量验算立柱缸径=100mm；行程L =1555mm；数量8根L立总=r2Ln =3.1450215558 =97654000mm3移架千斤顶缸径=125mm；行程L =1000mm；数量2根L移总=r2Ln =3.1462.5210002 =24531250mm3前梁千斤顶缸径=80mm；行程L =160mm；数量5根L前总=r2Ln =3.144021605 =4019200mm3L总= L立总+ L移总+ L前总= 126204450mm3=126.2L所有千斤顶都处于满负荷工作状态。4.5.4控顶效果有限元模拟模拟采用ADINA大型非线性有限元工程分析软件。设计模型掘进巷道高度2
