联排顶梁液压支架组在煤矿巷道临时支护中的应用研究

李信斌

（北京京煤集团有限责任公司，北京市门头沟区，102300）

1 联排顶梁液压支架组用途

目前，国内煤矿对于巷道工作面临时支护所用的支架，无论是在岩石开拓或是煤巷掘进的巷道中，不管是机采工作面还是炮采工作面，很少有适用于中等以下稳定顶板以及有及时支护功能的可移动支护设备。联排顶梁液压支架组是一种能在综掘工作面和炮掘工作面迎头使用的临时支护顶板设备，具备以下几种用途：

（1）能同时用于回采工作面端头支护与前方巷道的20m 超前支护。

（2）能独立用于综采端头支架前方巷道的超前支护。

（3）用于岩石开拓运输大巷及煤巷掘进巷道中的跟机临时支护与及时支护。

（4）用于炮掘工作面的临时支护与及时支护。

（5）辅助铺设金属网或辅助架设永久工字钢或U 型钢支架。

（6）在巷道维修或拱形变梯形巷道中使用。

（7）在一次采全高的不稳定顶板或托伪顶采煤的回采工作面中及倾斜回采工作面中使用。

2 联排顶梁液压支架组结构组成

联排顶梁液压支架组仰视图及侧视图如图1所示。

由图1可知，联排顶梁液压支架组由两个单排顶梁、液压推进缸、液压支柱、侧向缸、前挑梁、液压管路及附件组成。联排顶梁的基本结构像水中的竹排，每组支架由两个排形顶梁体组成，两个排形顶梁体交叉重叠组合而成了双联排形顶梁结构，按照行走的先后次序，先向前行走的称为前排，后向前行走的称为后排。

图1 联排顶梁液压支架组仰视图及侧视图

3 联排顶梁液压支架组工作动作分解

（1）支架正常工作时，前排顶梁与后排顶梁支撑着顶板，支柱都保持着支撑力。联排顶梁液压支架组工作示意图如图2所示。

图2 联排顶梁液压支架组工作示意图

（2）支架准备前移时，提起前排顶梁上的全部支柱，柱脚离开底板使前排顶梁脱离支护，此时后排顶梁支护着顶板，前排顶梁落在了后排托梁上。联排顶梁液压支架组前排顶梁上的支柱提起示意图如图3所示。

图3 联排顶梁液压支架组前排顶梁上的支柱提起示意图

（3）液压推进缸伸长，推动着脱离了支护的前排顶梁并带着与前排顶梁相连的支柱在后排托梁上滑动，一起前移一个步距。联排顶梁液压支架组前排顶梁前移一个步距示意图如图4所示。

图4 联排顶梁液压支架组前排顶梁前移一个步距示意图

（4）落下前排上所有的支柱，柱脚落实在底板上开始给力，前排顶梁升起，支撑紧顶板。联排顶梁液压支架组前排顶梁前移后支柱落地支撑示意图如图5所示。

图5 联排顶梁液压支架组前排顶梁前移后支柱落地支撑示意图

（5）提起后排顶梁上的全部支柱，柱脚离开底板提起使后排顶梁脱离支护，此时前排顶梁支护着顶板，后排顶梁落在了前排托梁上。联排顶梁液压支架组后排顶梁支柱提起示意图如图6所示。

图6 联排顶梁液压支架组后排顶梁支柱提起示意图

（6）液压推进缸缩短，拉动着脱离了支护的后排顶梁在前排托梁上滑动，后排顶梁带着后排上所有的支柱前移一个步距。联排顶梁液压支架组后排顶梁前移一个步距示意图如图7所示。

图7 联排顶梁液压支架组后排顶梁前移一个步距示意图

（7）落下后排上所有的支柱，柱脚落实在底板上开始给力，后排顶梁升起，支撑紧顶板，支架实现了前进一个步距的动作，开始正常支撑顶板。联排顶梁液压支架组后排顶梁前移后支柱落地支撑示意图如图8所示。

图8 联排顶梁液压支架组后排顶梁前移后支柱落地支撑示意图

4 联排顶梁液压支架组支护特点

4.1 不间断的有效支护力

独有的长条形顶梁结构、互为交叉支撑以及交替掩护前移的行走方式是联排顶梁液压支架组最突出的特点。它的条形顶梁宽度可以尽量做窄，如果条形顶梁宽度制造成100mm 宽，顶梁之间的间隙是25mm，那么任何一根顶梁在脱离了支护顶板的前移过程中，上部顶板暴露的空顶间隙宽度只有150mm，大于150 mm 的矸石不会冒落，而且铺顶网的工作面也不会因为150mm 宽的空顶而出现网兜式下沉。这种互为交叉支撑和交替掩护前移的支护方式，虽然每根单一的顶梁对顶板是反复支撑，但顶板却是在非常小的面积内就可以不间断的承受有效的支护力。当支架行走时产生的临时空顶间隙达到150mm 宽时，这种能带压移架结构对顶板反复支撑所造成的破坏在所有自移支架中已达到了最小的程度。工作支撑时顶梁对顶板的覆盖率是80%，支架行走时顶梁对顶板的覆盖率最小也可达35%，并且是均匀地分布。由于没有大面积地暴露顶板，因此这种支架在行走时顶梁无整体大面积脱离支护的危险，对人员及顶板的保护是非常有效的。这种顶梁结构及交替掩护的行走方式能很好地阻止顶板的下沉、破碎及漏顶事故的发生，在破碎顶板条件下使用能达到理想的支护效果。

4.2 顶梁面积大，整体性强，不易倒架

联排顶梁液压支架在使用时无论支护工作场地多大，都要组装成一个整体，成为只有一组顶梁的支架，支护面积可达到20～120 m2左右。联排顶梁支架能够携带几十根液压支柱，它所带来的优点就是支架不会因为有几根支柱卸载或歪斜而产生大面积倒架。同样，支架在抵抗外来的局部冲击时，也不易发生被整体催跨的现象。

4.3 及时支护功能

在掘进巷道作业期间，联排顶梁液压支架组能对工作面掘进机落完煤或放完炮后刚刚裸露出的危险顶板进行及时支护。在炮采过程中，炮响后在工作面前方顶板不安全的情况下，工作人员可立即在后方安全地带操作前移支架的前排，支护工作面最前端的不稳定顶板，这时即使工作面前方顶板正在塌冒，也不影响此项工作照常进行，前排的顶梁将强行插入冒顶区，将其托住然后升起前排支柱，将破碎顶板托起顶紧。全部工作可在15min内完成，然后前移后排，就可以将冒顶区域管住。及时支护过程示意图如图9所示。

4.4 辅助铺设金属网

联排顶梁液压支架组的前端和后端都可以安装翻转式挑梁，巷道支架组的前挑梁可以辅助铺设金属网、钢带及矿工钢永久支架。尤其在容易或正在发生冒顶现象的破碎顶板巷道前端，前挑梁先将金属网挑起，同时前移前排顶梁，冒顶立即被托住，待前排支架前移完毕，前排支柱升起后冒落顶板既被长期控制。虽然这种快速铺网管理顶板的方法是联排顶梁液压支架组非常独特的有效功能，但是这种方法不可用于块度较大的冒落顶板。因为前挑梁的强度有限，防砸性能不如主梁好，所以如果遇到大块矸石冒落时，还是直接将主梁向前移为好。

图9 及时支护过程示意图

4.5 大行程结构提高工作效率

因为排式支架前移时，原已经支护的顶板继续被有效地支撑着，并不因移架而产生更大面积的空顶，所以只要掘进后刚暴露的顶板在可预料的时间内不失稳，就可以尽量增加掘进的单循环进度，而排式支架可以满足这种需求。目前在掘进巷道使用的排式支架设计可达1.2 m 的行程，这种方案可使各种设备有效工作时间增加，提高工作效率。

4.6 三联排顶梁稳定性更高

如果顶板比较破碎且难于管理，除了可采取前铺网的措施外，还可以采用三联排顶梁的结构方案，这就是将在一般情况下所用的双联排顶梁体结构再增加一个单排顶梁体，它们还是依次排列，还是用交叉重叠组合的方式重新组装，各排之间还是各自独立互相无固定关系而组成。这样的三联排顶梁支架组在行走时的效果是，其中任一个单排顶梁体行走时，另外两个单排顶梁体处于正常支撑状态，彼此相同。三联排顶梁支架结构的优点就是支架在前移过程中，对顶板的支撑覆盖率能达到50%以上。而且这时支架对顶板的有效支护力是最大支护力的2／3，对顶板的有效支撑是从100%支护力到60%的支护力，再回到100%支护力的区间变化，只有1／3的顶梁向前运动，这对顶板的扰动更小。普通支架前移时对顶板无支护力，大面积的空顶使支护力从0到100%之间的反复变化对顶板扰动极大。因此，三联排支架的两梁支撑掩护一梁行走的前进方式使支架的稳定性更高。虽然这种结构带来了移架速度比双联排顶梁移架速度要慢的缺点，但是支架在巷道掘进中使用时，由于支架的前移动作过程与迎头的掘进及支架后部的支护工作是互不干涉的，三者是以平行作业的方式进行，所以并不影响掘进的速度。

5 联排顶梁液压支架组在巷道中的使用

5.1 在需铺网的综掘巷道中使用

联排支架的前端和后端可以安装翻转挑梁，前挑梁有快速铺网的功能，在中等以下稳定程度顶板的巷道中掘进使用时，掘进机完成规定的掘进深度后，翻转前挑梁即能快速的铺设金属网。具体方法为：工作人员在支架下，在翻转梁处于垂直位置时将金属网挂在翻转梁上，扳动操纵阀将翻转梁挑起至金属网贴紧顶板，然后前移前排支架，待前排支架前移并升起支柱后，金属网被压紧在顶板下。金属网只要搭茬即可，联网及固定金属网的工作在支架后部进行。翻转前挑梁铺网能够有效地管理好顶板，提高了掘进巷道中最危险工作地段的安全程度，达到了及时管理顶板的目的。工作人员可以在15min左右快速铺设金属网，基本不占用工作面掘进机前部宝贵的空间，而将大多数时间留给掘进机工作。在巷道高度大于3 m 时，支架后部可设一个与支架同步前移且不影响运输的工作平台，工人可用较轻松的姿势在上面联网、打锚杆孔、固定金属网及钢带或固定梯子梁等工作。如巷道不打锚杆，而是需要在网下再架设工字钢棚子的工作，还需要在支架后端头安装后挑梁以辅助挑起工字钢梁的工作。综掘铺网工作面示意图如图10所示。

图10 综掘铺网工作面示意图

5.2 在架设矿工钢梁固定支架的巷道中使用

在需要架设矿工钢或U 型钢固定支架的巷道中，使用联排顶梁液压支架组主要的使用方法与工艺安排比较简单，不管是综掘方式还是炮掘方式，基本解决方案不变。放完炮或是综掘机掘进一个循环进度后，将挂装好钢梁的前挑梁向前翻起，使矿工钢梁贴到顶板上，前移前排支架完成迎头顶板的支护，然后收回前挑梁再前移后排支架。矿工钢梁安装柱腿的工作在支架后方进行，这种工艺的优点与前种铺网打锚杆的方法是相同的，就是掘进工作与支护工作分两地进行，互不干扰，这种架设矿工钢梁的方法也可在巷道维修的工作中使用。架设矿工钢梁固定支架示意图如图11所示。

图11 架设矿工钢梁固定支架示意图

6 联排顶梁液压支架组操作步骤试行方案

综掘工作面掘进机配合联排顶梁液压支架组工艺操作步骤试行方案如下：

（1）首先打开高压泵站供液，高压乳化液进入高压管路，打开液压支架主操纵阀开关，给各液压分管路供液，检查支护设备各零部件及管路是否正常工作，检查正常支护材料、钢带和金属网等材料是否准备齐全。

（2）检查液压支架组的全部支柱是否支撑正常，将控制每个支柱的分操纵阀手把向升柱位置搬动一下，然后立即搬回，同时观察支柱及顶梁的动作及与顶板的接触情况，目的是使顶梁对顶板给足初撑力，如支柱未有支撑力必须继续搬动手把，直到给足初撑力为止。

（3）铺设金属网管理前方顶板，搬动控制前挑梁的操纵阀，使前挑梁千斤顶伸长，前挑梁慢慢落下，当与顶板成90°左右位置时，将操纵阀手把扳回到中位，使前挑梁停住。

（4）将巷道支护用的钢带、梯子梁和金属网片等材料钩挂在前挑梁上 （梁的顶面有挂钉），可用直径2mm 的铅丝或绳子将其拴紧绑牢。

（5）将控制前挑梁的操纵阀手把打到前挑梁的升起位置，前挑梁将托着梯子梁与金属网向上升起，直到把梯子梁和金属网压紧在巷道前方顶板上，然后将手把回到中位。

（6）开始前移排式支架，操作需两人以上，其中一人观察顶板及顶梁，看是否有危险及异常情况。其他的人按以下顺序进行操作：将控制支柱的操纵阀手把慢慢地搬到支柱收缩的位置，同时观察顶板及顶梁是否有异常情况，如有异常立即停止操作。如无异常就看着前排顶梁逐渐脱离顶板慢慢下落，直到前排支架的顶梁落在后排支架的托梁上，而后支柱慢慢升起，脱离底板。这时再将操纵阀手把完全搬到支柱升起的位置，直到支柱达到提起所需的高度，再将手把搬回到中位，这时前排的顶梁落在了后排的托梁上，前排支柱是悬空的位置。

（7）当前排支架上的支柱全部提起时，即可搬动控制支架前移的操纵阀，同样也是用慢慢给力的方法搬动手把到推进缸活塞杆伸出的位置，且所有人员必须观察支架前移有无阻碍、有无干涉和拉扯以及有无顶板异常，如无特殊情况就不要停止操作，直到前排支架带着其上的全部支柱走完所需行程后，立即将手把搬回到中位。

（8）前排支架支柱下落，升柱工作可以多人多点操控，但应该使支架最前端的一对支柱首先接顶并撑上力，然后逐个搬动控制前排支柱的所有分操纵阀，未支撑好的支柱依次向后支撑给力。支柱在下落过程中需用人工手扶支柱，使其底盘找正落点，不得向落点以外滑动。落正后的支柱按先升支架前方支柱，再依次向后的顺序使支柱依次对顶板给足初撑力。全部升起并给足初撑力的支柱必须有人负责再检查调整一次，不但要给足力，还要尽量将顶梁调平，并与后排支架顶梁位置调好，不要使顶梁靠上或拉大顶梁间距离。

（9）前排顶梁前移并支撑好顶板后，工作面最前端顶板就被前排前端的顶梁有效地支护好了。在前移后排支架前必须先收回前挑梁，将控制前挑梁操纵阀的手把搬到千斤顶活塞杆收回的位置，使前挑梁收回到位后再将手把搬回到中位即可。

（10）前移后排支架前必须保证前排支架支撑正常，首先有一人负责观察顶梁及顶板，其他人从后向前慢慢逐渐地将控制后排支架支柱的操纵阀手把扳到支柱收缩的位置。操作人员本身也要观察支柱升起对顶梁和顶板的影响。这时支柱首先开始缩短，后排顶梁开始下沉并脱离顶板，待顶梁下沉到位后支柱开始脱离底板而上升，这时即可将手把完全搬到位，使支柱快速升起，待达到需要的高度后就将手把搬回到中位。在顶梁下沉落下的过程，应该是由后向前进行，因为后方相对安全，待后排支架顶梁全部落在前排支架的托梁上后，提柱工作越快越好。

（11）后排支架前移过程与前排支架前移过程一致。

（12）后排支架支柱下落过程与前排支架支柱下落过程一致。

在以上步骤操作期间，还要注意几项规定：一是在支架操作过程中，工作面的各项工作要全部停止，所有人员均要观察顶板及顶梁的运动是否带来危险；二是在前排支架未完成前移动作时，迎头顶板是暂时支护或未支护，绝不能有人员站在下面工作；三是支柱的底盘不能支撑在浮渣上，可以用挖坑的方法找正支柱落点稳住支柱底盘，使支柱与顶梁成垂直支撑，绝对不允许支柱有横向滑动量；四是在支柱卸载顶梁前进期间，可以用撬棍拨动顶梁，躲过巷道侧壁及上方的一些小障碍，最后使前排支架与后排支架的间隙得以保持。

7 联排顶梁液压支架结构尺寸的选择

7.1 支架高度

由于此种支架顶梁与托梁的高度之和在340mm以上，占据了顶部一定的有效空间，所以低于2m 的巷道不宜使用，因为人员行走不方便。就目前试验阶段经验，巷道最高不要超过5m。

7.2 支架宽度

支架宽度基本无限制，但如果支架宽度确定后，巷道可加宽而无法变窄。巷道形状一般情况要求梯形，如果是倒梯形或矩形更好，两帮好管理。如需顶梁贴近两帮支护，巷道不直度应小于200mm。

7.3 支架长度

支架长度选择时主要考虑支架前端掘进设备的长度，同时还要考虑支架后部对支护人员的掩护长度及这两组工作场地应拉开的安全距离。后排设计比前排要长2 m 左右，便于打孔固定金属网的工作，在这段有长条形空顶的顶梁掩护下进行工作。

7.4 支架的前进步距

本支架的步距行程受限制不大，可制造行程600 mm、800 mm、900 mm、1000 mm、1200mm，选择时要注意与工作面循环进度尽量匹配。

7.5 支柱的位置及数量

正常支撑时支柱位置需向两帮靠拢，但支柱靠中支护也是可以的，这样可以将运输通道与人行通道分开，如有大型设备出入，可以暂时将支柱沿滑动槽推滑到靠帮位置即可。使用时每根托梁不可少于两根固定位置的支柱，两根固定位置的支柱距离在不是中心对称摆放时，不得小于托梁长度的二分之一。允许不同规格的支柱同时使用，但不可在同一根托梁上做固定支柱使用。不同的托梁允许使用不同规格的支柱，不同托梁的支柱允许摆放位置不同。允许随时加入临时支柱做为辅助支撑，顶梁与托梁下方都可以使用临时支柱支撑。以上规定只是为了支架的支护力更符合顶板的要求，如在某段顶板压力增大时可以增加支柱支撑。联排顶梁对顶板的支护强度可达0.3 MPa以上，如果底板松软支柱下陷，可采用圆形底盘或长方形大底盘。两柱靠中支撑巷道支护和四柱靠边支撑巷道支护示意图如图12所示。

图12 两柱靠中支撑巷道支护和四柱靠边支撑巷道支护示意图

7.6 支架托梁数量的选择

托梁的数量与支架的长度及行程有关，如果支架行程是1 m 且支架长度选择7 m 以下，支架就只能安排4～5根托梁，当支架行走时，支撑支架的支柱数量就会有4根支撑的情况，此时如有1根支柱有问题，整个支架就比较不稳定。如果选择支架长度在8m左右，这样支架的托梁数量能达到6根，当支架行走时，固定支撑的托梁数量能达到3根并最少带6根支柱，这样支架就比较稳定安全。

7.7 需要说明的特殊情况

同一工作面支架的顶梁与托梁允许制造成多种不同的规格尺寸，以适应顶板后部压力大而前部压力小的实际情况。排式支架如用于炮采掘进工作面，必须选用防炮崩支柱，且固定支柱只能用于靠两帮位置。为了使整体巷道的支护效果更好更安全，可以使排式支架的顶梁支护部分有意加宽，巷道断面可以是矩形，在有可能的地质情况下甚至做成倒梯形，以煤壁不再需要支护为目的。倒梯形巷道支护和矩形巷道支护示意图如图13所示。

图13 倒梯形巷道支护和矩形巷道支护示意图

8 结语

作为临时支护设备，联排顶梁液压支架组对巷道的围岩地质构造要求不高，能在绝大部分巷道临时支护中使用，其独特的结构及行走方式甩掉了过去吊环、穿梁、惯板等落后工艺，使掘进巷道迎头工作有了极大的安全保证。同时，掘进工作与支护工作场地分开平行作业的最新工艺可使综掘机械达到连续作业，使巷道掘进的速度大幅提高。如遇顶板比较稳定的工作面还可采用大行程行走方式，从而减少支架的操作次数，提高掘进速度与掘进效率。

［1］ 邢福康，蔡坫，刘玉堂.煤矿支护手册 ［M］.北京：煤炭工业出版社，1993

［2］ 江光宏.高档普采工艺与设备 ［M］.北京：煤炭工业出版社，1988