项目名称: 综掘机超前护顶装置的研制及掘进工艺技术研究

申报单位: 山西兰花科技创业股份有限公司

主要完成人：贺贵元、徐锁庚、郝跃洲、胡林、吕吉峰

魏兆祥

主要完成单位：山西兰花科技创业股份有限公司煤炭科学研究总院南京研究所

专业（学科）分类名称代码：矿山工程技术（440）

所属国民经济行业：B类型

任务来源：自选

项目起止时间：2006 年7月-2007 年10月

项目简介：该项目属于煤矿快速掘进与安全技术领域，着重目前我国煤矿超前支护不安全以及超前支护速度慢影响快速掘进的难题，实现机械化超前支护。

该项目开发了综掘机超前护顶装置和配套掘进工艺，实现了掘进与超前支护一体化。综掘机超前护顶装置主要由滑道、滑台、主臂和护顶梁四大结构部件及液压系统、外配套电气设备等组成，采用全液压传动，配有超限声光报警装置和保护卸压系统，完成掘进过程中快速机械化临时支护。该护顶装置与掘进机配套掘进工艺的研究主要是研究采用该装置后与掘进机、锚杆支护等工序的配套掘进工艺，找出合理的掘进工艺和人员配备等，对该装置使用后，超前支护系统的安全可靠性作出分析。

该项目具有与掘进机合理配套实现掘进与超前支护一体化，能快速综掘巷道的超前支护等特点，提高了超前支护机械化程度，加快掘进速度。该项目采用了长滑道与双伸缩主臂结合，使得护顶粱能进入迎头空顶区，真正实现了超前支护。该项目采用与掘进机共享油箱，又有独立液压系统，简化了液压系统。该护顶装置不仅能被动承受压力，而且能够主动支撑顶板，防止巷道顶板变形或下沉，有助于控制顶板。该项目具有超压报警和保护卸压功能，具有安全警示作用，既提高锚杆支护作业的安全性，为高产高效掘进生产提供保障，又能保护设备，以免因过载损坏设备。

该成果获2008年度中国煤炭工业协会科学技术奖三等奖。第一台设备一直在兰花集团伯方煤矿进行井下应用，取得了较好的经济效益和社会效益。取得的经济效益主要体现在实现了超前支护的机械化和快速超前支护，缩短了综掘巷道超前支护的时间，加大了超前支护的面积，从而加快掘进速度，减少人员配置，提高了掘进工效，累计给伯方煤矿带来较好的经济效益。同时该项目还产生了巨大的社会效益。该项目的实施实现超前支护的机械化，减轻了超前支护的劳动强度； 实现一掘多锚，减少锚杆支作业的劳动强度。该项目的实施锚杆支护作业的安全程度，减少冒顶事故的发生。

项目详细内容：

1、立项背景、科技内容、特点及应用推广情况：

（1）立项背景：

该项目的提出来源于煤矿生产的迫切需要。随着综采工作面生产能力和推进速度的提高，采区范围日益加大，采准巷道的机械化快速掘进和支护成为矿井高产高效、安全生产的关键技术之一，掘进机掘进具有连续掘进、工序少、效率高、速度快、施工安全、劳动条件好、对巷道围岩不产生振动破坏等特点，尤其是综采工作面的顺槽断面大，只有配套综掘才能满足快速掘进的需求。目前我国大力推行锚杆支护的综掘巷道，由于围岩多为中等稳定和不稳定状况，顶板较破碎，支护形式多种复合，有锚杆、梁、网、锚索甚至还要加金属棚。因巷道断面小，大多配套使用风动单体锚杆钻机，每个循环需将它由综掘机前后拖进拖出，占用辅助时间长，致使掘锚平均月进尺均比较低，产生采掘失调、接续紧张的被动局面。由于掘锚速度慢，为避免空顶时间长引起顶板发生沉降离层和变形，采用超前支护是必要的。

美、澳、英等许多国家自推行锚杆支护以来，根据巷道围岩地质条件，制定锚杆支护形式与支护参数，并定为法规。由于国外巷道顶板条件较好，支护形式较为单一，实施高强度、高预拉力锚杆全长锚固，锚杆间排距较大。综掘机械化程度高，掘锚综合速度快，实行一次性永久支护基本无超前支护的概念。

国内煤矿目前普遍使用的超前支护形式是窜管前探梁和支柱加横梁两种方式。前一种形式支护面积小，不能满足一掘两锚的要求，且支护速度慢，支护效果差，且工人劳动强度大；第二种形式则支护速度慢，导致空顶时间长，顶板易发生沉降和变形，而且工人劳动强度大。

该项目主要使综掘巷道超前支护机械化，提高综掘巷道掘锚速度，减轻工人劳动强度。在顶板条件允许下，该装置可实现一掘两锚，减少锚杆机拖进拖出的辅助时间，而且其护顶速度快，从而加快掘锚速度。同时该装置机械化程度高，减轻劳动强度。因此该项目将提高综掘巷道超前支护机械化，加快掘锚速度，同时提高锚杆支护作业安全性。

（2）科技内容：

该项目的综掘机超前护顶装置采用机载式配载方式与掘进机相结合，即在掘进机机身中上部设置长滑道，整个装置依靠滑道在掘进机上前进和后退，掘进机仅提供载其行走功能。该装置采用长滑道和双伸缩主臂将护顶粱送入空顶区，完成超前支护的作业。

该护顶装置主要由滑道、滑台、主臂和护顶梁四大结构部件及液压系统、外配套电气设备等组成，采用全液压传动。

滑台上配置操作台、回转体、支臂油缸、摆动臂油缸、引导油缸等，与主臂为铰轴联接。滑台下配置滑道油缸-链条增倍机构，可使滑台在滑道上前后移动。滑道采用双槽框式结构，槽形内置，用作两组滚轮的滚道。滑道通过由掘进机引出的三组横梁固定在掘进机的中上部。主臂采用双层套筒式伸缩结构，内置变幅油缸，可使主臂伸缩变幅。主臂后端与滑台上回转体铰轴联接，并受支臂油缸的支撑，可实现上下运动。回转体在摆臂油缸的作用，可使主臂左右摆动。主臂前端安装仰俯油缸并铰轴联接护顶梁。仰俯油缸用以调整护顶梁的仰俯角，使护顶梁平行巷道顶板。护顶梁由随动油缸、延伸油缸、斜撑油缸、上下双层护板、左右两侧护板及导向杆等组成。转角油缸摆动，实现护顶梁摆动，延伸油缸用以推动上层护板向前伸长，使护顶长度增加。斜撑油缸用以展开两侧铰接的侧护板，使护顶宽度增加。

该项目解决了超前支护的机械化的难题，解决了超前支护与掘进机之间的合理匹配，实现了超前支护与掘进之间独立工作而互不干涉。该装置采用长滑道和双伸缩主臂结构，实现了将护顶粱及时快速送入迎头空顶区，实现快速及时超前支护。该项目的护顶装置采用护顶粱重叠和侧板铰接结构，解决了护顶粱收拢要求小、展开要求面积大的问题，实现了一掘多锚。该护顶装置采用了报警装置和保护卸压系统，实现了安全设备的高可靠性，同时保障设备本身的安全。

该项目技术成果达到国际先进水平。该项目技术成果已经成功地在兰花集团公司所属煤矿大阳煤矿、唐安煤矿得到应用，并且已经与王坡煤业有限公司进行推广应用，核心设备综掘机超前护顶装置已经在制造之中，另外，就该项目技术成果推广应用已经与中美合资的晋城大宁煤矿、晋城煤业的长平公司以及大同煤业集团等单位签订了意向合同。相信该技术成果将得到广泛的应用。

目前，随着我国煤矿综采技术的发展，采煤速度越来越快，采煤几乎撵着掘进走。虽然综掘机在我国得到较好发展与应用，随着我国锚杆技术的推广应用，该技术给煤矿的锚杆支护带来很多好处，但是使用该技术后，综掘巷道掘进速度一直没有得到提高。综掘速度成为实现高产高效的瓶颈，综掘速度慢已经造成了煤矿采掘比严重失调。超前支护虽然是整个掘进过程中一道工序，但是落后的超前支护技术同样制约着掘进速度的提高。通过该项目技术成果的推广应用，提高超前支护的机械化程度，实现一掘多锚，从而提高掘进速度，缓解采掘比失调的矛盾。同时该项目又能为锚杆支护作业提供安全保障，减轻劳动强度。该项目技术成果不仅为综掘巷道掘进提供安全保障，而且使我国煤矿综掘巷道的掘进速度得到提高，为加快综掘速度开辟一条新技术途径。通过该项目技术成果的推广应用将推进我国综掘巷道的技术与装备的发展，提高我国综掘巷道机械化水平，推动我国综掘巷道锚杆支护技术的进一步发展，从而我国煤矿建设高产高效的矿井提供有力保障。

（3）成果特点

国外产煤大国现开采煤层赋存条件决定巷道顶板条件好，巷道断面大，巷道掘进设备为配套顶板锚杆机的连采机和掘进机，支护形式较为单一，采用大跨距高强度、高预拉力锚杆全长锚固。实行一次性永久支护基本无临时支护的概念。采用以上掘锚设备和支护工艺，因顶板条件好，不易发生较大的顶板沉降和变形，则仅在司机的头顶位置加上可靠的护顶板来保护司机。

该项目技术成果在安装选位上更加可靠合理；在支撑力上能主动支撑顶板，又能被动支撑顶板，护顶力大；护顶板能够进入空顶迎头直接护顶；护顶粱对巷道顶板的适应性好；采用安全保护系统，更加安全可靠。

与当前国内普遍使用的几种超前支护方式对比表

项目         名称	综掘机护顶装置	连杆式护顶装置	窜管前探支护
安装停放位置	在机身上安装，生根有力，设备稳定可靠；停放在掘进机的机身正上方，不影响掘进机司机视线	安装在掘进机的回转盘处机身上或截割臂上，停放在回转盘上方，影响司机视线	安装在顶板已经锚杆支护顶板的锚杆上。
选位功能	可以任意选位，对掘进机停放位置没有特殊的要求，灵活选位，确保锚杆施工质量	要求掘进停放在正中间，依靠掘进机来选位，选位速度慢，不能保证锚杆施工质量。	没有选位功能，固定护顶位置，只能根据锚杆布置方式的位置而定
支撑力	主动护顶2吨，被动护顶4吨	护顶力0.5-1吨	几乎没有主动支护力，只能被动受力。因前探悬臂，受力很小
护顶位置	可以将掘进机退出空顶区，护顶梁送入空顶区，方便锚杆施工	掘进机不可退出空顶区，护顶板只能伸到截割头上方，有碍锚杆施工	可以将掘进机退出空顶区，探粱窜入空顶区
顶板适应性	柔性护顶梁可以适应多种巷道顶板，适应好	整体性护顶梁巷道顶板适应性差	适应顶板差，依靠楔块来撑紧。
机构设置	主臂、护顶梁和油缸等组成可靠的支撑系统	简单四联杆机构	没有机构，人工手动
动力配置	可自带动力也可利用掘进机动力系统，系统可靠	利用掘进机动力系统	没有动力，人工作业
安全保护	可配置报警装置以及液压卸压保护系统、安全可靠	没有保护措施	没有保护措施

（4）应用情况：

本技术在兰花公司伯方煤矿进行了工业性试验，实现了一掘两锚，提高了掘进效率，日进尺达16米，较原先的掘进速度日进尺多5米，全年可增加掘进进尺1600余米。同时采用该装置进行护顶，能提高超前支护速度，及时支护空顶区，减少顶板冒顶的几率，从而减少大面积冒顶事故的发生。另外，采用该装置进行超前支护为主动支护与被动支护相结合，当受力超过限载时，该装置进行报警，提醒工人注意，保护工人安全。运行以来已安全掘进4620米。

目前该技术成果已经在兰花集团所属大阳煤矿、唐安煤矿得到应用。同时已经推广到山西晋城王坡煤业有限公司，设备正在制造之中，预计今年6月投入使用。另外该项目技术成果还和山西大同煤业集团、晋城煤业集团、兖矿集团等签订合作意向。随着推广力度的加大，该技术成果将会有广泛的应用前景。

（5）经济效益：

各栏目的计算依据：

“综掘机超前护顶装置的研制及掘进工艺技术研究”在兰花公司伯方煤矿试验成功后，大大提高了掘进效率，年增加掘进进尺1600米，增加掘进出煤量2.88万吨，吨煤利润178元，新增利润513万元，新增税收169万元；大阳矿应用六个月，增加掘进进尺540米，增加掘进出煤量8400吨，吨煤利润211元，新增利润178万元；唐安煤矿应用五个月已安全掘进1850米，增加掘进进尺600余米，增加掘进煤量9400吨，吨煤利润195元，新增利润184万元。

（6）社会效益：

a采用综掘机超前护顶装置进行护顶，能提高超前支护速度，及时支护空顶区，减少冒顶事故的发生。

b采用该装置进行超前护顶时，当受力超过4吨，该装置首先进行报警，同时会自动低头让位。最大程度避免迎头人身安全事故及保护设备的安全。

c采用超前护顶装置的掘进工艺要比窜管方式的掘进工艺月进尺快140米。可以提高掘进综合速度，有效缓解目前我国煤矿普遍存在的采掘比失调的矛盾，可满足建设高产高效矿井的需要。

2、发现、发明及创新点：

该技术成果主要有以下创新点：

1) 开发的长滑道与双伸缩主臂相结合的机构，实现了护顶装置的快速移动和有效护顶。

2) 护顶装置与掘进机采用共用油箱，简化了液压系统； 护顶装置的滑移机构采用油缸-链条增倍机构，缩短了装置长度，保证了掘进机后部出煤不卡阻。

3) 护顶装置的超限声光报警装置和保护卸压系统，具有安全警示、防止设备过载损坏的功能。

本项目曾获科技奖励情况：2008年荣获“中国煤炭工业协会科学技术奖” 三等奖。

 

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