韓會(huì)軍，余銅柱

1天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部 北京 100013

2兗州煤業(yè)股份有限公司 山東鄒城 273500

煤礦開采中超前巷道存在支承壓力，通過錨網(wǎng)索、噴射砼、注漿等主動(dòng)支護(hù)手段，巷道頂板已具有一定強(qiáng)度，但受回采影響，在工作面煤壁附近需要加強(qiáng)支護(hù)。隨著深井開采逐年增加，巷道斷面尺寸逐步增大，工作面回采推進(jìn)速度加快，對巷道的加強(qiáng)支護(hù)越發(fā)緊迫。目前廣泛使用的加強(qiáng)支護(hù)手段已在原有木垛、石碹等低強(qiáng)度耗材基礎(chǔ)上升級為可反復(fù)使用的機(jī)械化支護(hù)設(shè)備，如單體支柱、成組超前支架等。國家煤礦安監(jiān)局發(fā)布的〔2019〕21 號《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》要求：具有沖擊危險(xiǎn)的采煤工作面安全出口與巷道連接處超前支護(hù)范圍不得小于 70 m，綜采放頂煤工作面或具有中等及以上沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的采煤工作面安全出口與巷道連接處超前支護(hù)范圍不得小于 120 m，超前支護(hù)優(yōu)先采用液壓支架。單體支柱支護(hù)強(qiáng)度及效率低，超前支架組對巷道頂板反復(fù)支撐造成破壞，因此，長距離的工作面超前支護(hù)，需要對無反復(fù)支撐支護(hù)方式進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 巷道液壓支架與圍巖耦合支護(hù)

如圖 1 所示，受工作面回采擾動(dòng)，巷道應(yīng)力重新分布，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測，超前支承壓力按照切向應(yīng)力分區(qū)基本分為穩(wěn)壓區(qū) (C)、增高區(qū) (B)及降低區(qū) (A)；按原巖應(yīng)力分區(qū)分為彈性區(qū) (E)和極限平衡區(qū) (D)。通過分析，認(rèn)為超前支承壓力分布受采高、工作面長度、煤層埋深等多種因素影響，同一條件不同時(shí)期，超前支承壓力峰值在初次來壓時(shí)最大，周期來壓次之，非來壓時(shí)期最?。怀爸С袎毫邢禂?shù)、應(yīng)力峰值、影響范圍均隨工作面長度、埋深、采高的增大而增加[1]。巷道采用錨網(wǎng)、索支護(hù)體系提供主動(dòng)支護(hù)，超前支架提供被動(dòng)支護(hù)，形成多種形式的耦合作用，維持巷道圍巖穩(wěn)定。

圖1 巷道超前應(yīng)力分布規(guī)律Fig.1 Distribution law of advanced stress on roadway

沖擊傾向、綜放開采等復(fù)雜地質(zhì)條件下，巷道超前應(yīng)力影響范圍和分布情況更趨嚴(yán)峻，根據(jù)液壓支架與圍巖耦合支護(hù)理念，超前支架應(yīng)按照“低初撐、高工阻”及非等強(qiáng)支護(hù)原則進(jìn)行配套[2]，即給予超前支架較低的初撐力，保證支架升起時(shí)能完好地接觸巷道頂板，而不對已有錨固體系造成破壞，但支架安全閥調(diào)定壓力保持較大值，在巷道頂板下沉?xí)r，能提供足夠的支撐剛度，減少頂板位移量；此外，針對巷道超前應(yīng)力分布規(guī)律，在工作面超前巷道不同部位，采用不同支護(hù)強(qiáng)度的支架進(jìn)行支護(hù)，在巷道形成“超前支架-錨網(wǎng)、索-圍巖”的耦合支護(hù)體系。但目前超前支架的電液控方式在解決實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)安全閥壓力方面尚難實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

2 無反復(fù)支撐技術(shù)研究

隨著巷道加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，超前支架型式的開發(fā)仍處于探索階段。根據(jù)使用情況來看，對于距離工作面 20 m 范圍內(nèi)的超前支護(hù)設(shè)備仍以具備四連桿機(jī)構(gòu)的前推后拉超前支架組為主[3]，20 m 之外的加強(qiáng)支護(hù)以單體支柱+鉸接鋼梁相配套。而對前推后拉式超前支架組的反復(fù)支撐效應(yīng)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了無反復(fù)支撐單元式支護(hù)的開發(fā)。無反復(fù)支撐支護(hù)，目前主要采用循環(huán)移架方式進(jìn)行支護(hù) (見圖 2)，即隨著工作面推進(jìn)，巷道超前支架依次從靠近工作面處移動(dòng)到靠近巷道出口處，其中主要涉及所采用支護(hù)單元及其移動(dòng)方式，而受限于支架結(jié)構(gòu)及移動(dòng)方式，多在回風(fēng)巷道使用。

圖2 循環(huán)移架式無反復(fù)支撐模式Fig.2 Cyclic moving non-repeated supporting mode

2.1 單元式支護(hù)結(jié)構(gòu)型式

2.1.1 剛性支護(hù)

包括木垛、石碹及部分金屬支架[4]，多為一次性消耗支護(hù)，支護(hù)效率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，且由于支護(hù)沒有讓壓性能或支護(hù)強(qiáng)度低，一定程度上無法滿足圍巖穩(wěn)定性控制要求，已逐步被機(jī)械化支護(hù)方式淘汰。

2.1.2 單體支柱

單體支柱憑借其體形小、質(zhì)量輕、綜合成本低等特點(diǎn)，廣泛用于巷道支護(hù)。由于使用及移動(dòng)方面的便利性，不會(huì)對巷道頂板造成反復(fù)支撐，搭配鉸接鋼梁使用，增加了接頂面積，整體支護(hù)效果較好，新開發(fā)的無反復(fù)支撐超前支架多在這種支護(hù)方式基礎(chǔ)上改進(jìn)創(chuàng)新而來。但另一方面，單體支柱無法提供足夠的支護(hù)強(qiáng)度，不適用于頂板壓力較大的巷道支護(hù)。此外，單體支柱需要靠人力完成支設(shè)及回撤，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，支護(hù)效率低，安全性較差，隨著巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，人工支護(hù)也將被現(xiàn)代化支護(hù)方式取代。

2.1.3 門式支架

顧名思義，門式支架指在巷道斷面中具有“門”形狀的超前支架，具有代表性的是采用活動(dòng)四邊形結(jié)構(gòu)作為主體的可縮性巷道支架，總體相當(dāng)于單體支柱與橫梁相結(jié)合，如圖 3 所示，其頂梁為可縮或不可縮橫梁，可增加具備護(hù)幫功能或輔助撐頂?shù)妮o助機(jī)構(gòu)，保證支架接頂。相較單體支柱，整體支護(hù)效率有所提高，降低了人工及安全成本，已在同煤同忻、峰峰大淑等礦推廣使用。

圖3 門式超前支架Fig.3 Gantry-type advanced support

2.1.4 墩柱式支架

鑒于單體支柱支護(hù)強(qiáng)度無法滿足圍巖壓力大的巷道支護(hù)，可布置 2～4 根立柱合抱的形式，形成單元式超前支架 (見圖 4)，具體根據(jù)巷道壓力、支架穩(wěn)定性需求確定立柱數(shù)量，一般為降低移動(dòng)難度，支架不采用類似四連桿的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。該種超前支護(hù)單元具有類似單體支柱的靈活體形和移動(dòng)便捷的特點(diǎn)，且能提供較大的支護(hù)強(qiáng)度，是目前無反復(fù)支撐方式中應(yīng)用最廣的支架。目前多用于沿空巷道超前支護(hù)，現(xiàn)場一般在巷道中沿工作面推進(jìn)方向單排或雙排布置。

圖4 墩柱式超前支架Fig.4 Column-type advanced support

2.1.5 自行式支架

自行式支架是在普通支架基礎(chǔ)上裝備自移機(jī)構(gòu)，包括履帶式機(jī)構(gòu) (見圖 5)[5]、螺旋移動(dòng)機(jī)構(gòu)等。這種支架可以實(shí)現(xiàn)在巷道中的全方位行走，但缺點(diǎn)是所使用自移機(jī)構(gòu)會(huì)對巷道底板造成較嚴(yán)重破壞，增加了巷道的支護(hù)難度，且不利于支架穩(wěn)定性。

圖5 履帶行走式支架Fig.5 Crawler-moving-type support

2.2 支護(hù)單元移動(dòng)方式

采用循環(huán)移架的方式布置超前支護(hù)單元是目前普遍的認(rèn)知，但針對無法自行移動(dòng)的超前支架，如何從巷道超前支架隊(duì)列的一端移動(dòng)到另一端的具體方法，仍具有很大的研究空間。超前支架的移動(dòng)包括在巷道斷面內(nèi)的橫向移動(dòng)和沿巷道走向的縱向移動(dòng)。橫向移動(dòng)多借助單體支柱或支架本身機(jī)構(gòu)中安裝的千斤頂完成動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)可以相鄰支架為支點(diǎn)，也可以巷幫為支點(diǎn)。針對沿巷道走向的縱向移動(dòng)，主要有空中吊運(yùn)及地面運(yùn)輸兩大類，如圖 6 所示。

圖6 超前支架運(yùn)輸方式Fig.6 Transport mode of advanced support

2.2.1 空中吊運(yùn)

主要是采用單軌吊完成單元式超前支架的搬運(yùn)，軌道安裝在巷道頂板錨桿或兩側(cè)支架間的連接梁上?？罩械踹\(yùn)方式不受底鼓、積水、起伏等巷道底板情況干擾，占用空間小，運(yùn)輸效率高，應(yīng)用范圍在逐步增大，但存在操作復(fù)雜，起吊質(zhì)量受限等缺點(diǎn)[6]。

2.2.2 地面運(yùn)輸

在單元式超前支護(hù)發(fā)展初期，支架在井下的移動(dòng)主要依靠絞車拖拽，在巷道一端安裝絞車，利用拉力完成超前支架的長距離搬運(yùn)，當(dāng)?shù)装鍡l件較好時(shí)，搬運(yùn)效果可滿足使用要求，但安全系數(shù)較低。針對門式支架結(jié)構(gòu)型式，多采用特種運(yùn)輸車輛進(jìn)行搬移。同忻礦所使用門式超前支架搬運(yùn)車，即采用無軌膠輪車改造而成，用于支架的循環(huán)移動(dòng)。因此，地面運(yùn)輸方式受巷道底板地質(zhì)條件影響較多，占用空間較大，安全性相對較差。

3 無反復(fù)支撐發(fā)展趨勢

隨著工作面巷道支護(hù)距離及支護(hù)強(qiáng)度的日漸增長，無反復(fù)支撐支護(hù)方式將是今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)的研究焦點(diǎn)。實(shí)踐證明，單元式支護(hù)仍然是最受歡迎的工作面巷道支護(hù)方式，但其仍需解決提高支護(hù)強(qiáng)度和運(yùn)輸效率兩方面問題。

(1)鑒于地質(zhì)條件的多樣性及研究機(jī)構(gòu)的分散性，對于“支架-錨、網(wǎng)索-圍巖”支護(hù)體系的研究仍不完善，亟需形成公認(rèn)的支護(hù)距離和支護(hù)參數(shù)的理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)規(guī)范，通過具體的指導(dǎo)及標(biāo)準(zhǔn)化方式，提升巷道無反復(fù)支撐的理論體系，而針對非等強(qiáng)分段支護(hù)的智能化控制方式將有效提升超前支護(hù)效果。

(2)借助獨(dú)立的機(jī)構(gòu)對支架進(jìn)行搬移是目前條件下應(yīng)用最廣的方式，但受限于巷道地質(zhì)條件，搬移效果差強(qiáng)人意，有待對搬移方式及機(jī)構(gòu)進(jìn)一步開發(fā)，提高超前支架循環(huán)移動(dòng)效率，此外，具有較好適應(yīng)性的可自行全向移動(dòng)超前支架也可解決支護(hù)效率問題。

(3)現(xiàn)有無反復(fù)支撐基本用于回風(fēng)巷道，運(yùn)輸巷道中可供超前支架移動(dòng)的空間斷面較小，因此占用空間較小的無反復(fù)支撐超前支護(hù)問題也有待突破。

4 結(jié)語

復(fù)雜地質(zhì)條件礦井開采及煤礦開采技術(shù)的提高將促使工作面巷道超前支護(hù)需求日益迫切，在要求足夠支護(hù)強(qiáng)度及不破壞頂板已有錨固體系的雙重條件下，無反復(fù)支撐將是工作面巷道超前支護(hù)的必經(jīng)之路，其中單體支柱+鉸接鋼梁形式仍將在今后一段時(shí)期內(nèi)充當(dāng)主要的支護(hù)方式；提高單元式超前支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度及移動(dòng)效率，使其具有更好的適應(yīng)性是無反復(fù)支撐支護(hù)的發(fā)展趨勢。