侯 波

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

回采巷道是煤礦井下綜采工作面通風(fēng)及運(yùn)輸?shù)闹匾踩臻g和通道，其圍巖的穩(wěn)定對(duì)工作面安全作業(yè)和快速推進(jìn)有十分重要的意義。超前采動(dòng)影響下巷道圍巖，破壞變形嚴(yán)重。保持超前區(qū)域巷道圍巖的穩(wěn)定是工作面的重要作業(yè)和關(guān)注對(duì)象，煤礦安全規(guī)程規(guī)定煤礦井下綜采工作面回采巷道超前支護(hù)長(zhǎng)度不低于20 m[1-4]。為實(shí)現(xiàn)工作面巷道超前安全支護(hù)，本文以莒山礦9201 工作面回風(fēng)順槽為研究背景，分析了工作面超前支護(hù)技術(shù)，為后期安全高效開(kāi)采提供基礎(chǔ)。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

9201 工作面為莒山礦二盤(pán)區(qū)首采工作面，工作面傾向長(zhǎng)度為180 m，推進(jìn)長(zhǎng)為1 560 m，所采煤層平均厚度為1.18 m，煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖及砂質(zhì)泥巖。9201 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道寬度為4.0 m、高度為3.1 m，巷道沿9 號(hào)煤層頂板布置。

2 超前支架選型

目前煤礦井下綜采工作面超前支護(hù)主要使用單體液壓支柱整體式超前支架組和邁步式超前支架組。單體液壓支柱通常配合金屬交接頂梁進(jìn)行組合使用，根據(jù)工作面超前采動(dòng)影響區(qū)域長(zhǎng)度及超前采動(dòng)影響范圍，確定單體液壓支柱的超前支護(hù)范圍，支護(hù)時(shí)將單體液壓支柱按照一定的間距布置于巷道內(nèi)，通常間距為0.7~1.2 m，排距為0.8~1.2 m，超前支護(hù)長(zhǎng)度不低于20 m，通常超前支護(hù)距離為30~60 m，部分礦井超前支護(hù)長(zhǎng)度可達(dá)120 m。目前單體液壓支柱超前支護(hù)多數(shù)通過(guò)人工支設(shè)，實(shí)際作業(yè)過(guò)程中所需人工多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)不同人工支護(hù)作用時(shí)，不能保證單體支柱具有均勻的初始支護(hù)強(qiáng)度，支護(hù)過(guò)程中單體立柱支護(hù)強(qiáng)度不均勻，實(shí)際支護(hù)效果并不理想。

超前支架組通過(guò)液壓系統(tǒng)控制，加之目前采用先進(jìn)的電液控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)巷道超前支護(hù)范圍內(nèi)快速自移和及時(shí)支護(hù)，由于支護(hù)效率的大幅度增大，使井下作業(yè)人員數(shù)量大幅度減少，同時(shí)降低了井下作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，適應(yīng)了綜采工作面的快速推進(jìn)和高產(chǎn)高效作業(yè)的安全高效超前支護(hù)要求，近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多綜采工作面的超前支護(hù)采用了不同型號(hào)的超前支護(hù)支架組，取得了良好的應(yīng)用效果[5]。

整體式超前支護(hù)支架組由前后兩架或三架支架通過(guò)推移油缸連接，單個(gè)支架頂梁設(shè)計(jì)為整體式頂梁，實(shí)際支護(hù)時(shí)頂梁會(huì)與巷道頂板充分接觸，移架過(guò)程中需要移架支架全部卸載降架，以相鄰支架為支點(diǎn)向前推拉；由于支架頂梁設(shè)計(jì)為整體式，支架卸載時(shí)會(huì)出現(xiàn)大范圍空頂，當(dāng)頂板穩(wěn)定性較差時(shí)會(huì)有頂板冒落的危險(xiǎn)，此外，在反復(fù)承載、卸載的過(guò)程中支架頂梁會(huì)對(duì)頂板錨桿支護(hù)系統(tǒng)造成破壞，一方面會(huì)加劇支架對(duì)巷道頂板的破壞，另一方面巷道頂板錨桿支護(hù)系統(tǒng)受到破壞后巷道進(jìn)入采空區(qū)，頂板仍然保持穩(wěn)定而無(wú)法完全垮落，造成工作面端頭區(qū)域風(fēng)流泄漏或者采空區(qū)有害氣體進(jìn)入工作面，對(duì)工作面安全通風(fēng)產(chǎn)生一定的影響。整體式超前支架組適用于巷道頂板穩(wěn)定性好的巷道，同時(shí)對(duì)于堅(jiān)硬整體頂板的巷道使用效果也較好，對(duì)于中等穩(wěn)定頂板或破碎頂板而言，整體式超前支架組實(shí)際使用效果并不太理想。

分體式超前支架組每一組由并列的左右兩架支架組成，左右兩架支架通過(guò)橫向油缸連接，前后各組液壓支架組通過(guò)推拉油缸縱向連接[6]。同一組支架的頂梁和底座設(shè)計(jì)為分體式，頂梁主要設(shè)計(jì)為超長(zhǎng)窄型結(jié)構(gòu)，頂梁側(cè)方設(shè)計(jì)有側(cè)翻梁，由于分體式支架單個(gè)單元的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，橫向?qū)挾容^小，實(shí)際支護(hù)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生左右偏移，為增大支架整體穩(wěn)定性，在同一組并列布置的支架之間通過(guò)防倒千斤頂連接，有效增大了同一組支架的整體穩(wěn)定性。移架時(shí)同一組支架一側(cè)支護(hù)單元卸載降柱，通過(guò)前架推拉油缸拉動(dòng)或者后架推拉油缸向前推動(dòng)，在移架過(guò)程中同一組支架由其中一架支護(hù)單元體降架另一個(gè)支護(hù)單元體保持承載狀態(tài)，通過(guò)邁步式交替循環(huán)向前移架，有效減小了降架過(guò)程中的空頂面積，同時(shí)減小了支架對(duì)巷道頂板錨桿及錨索的破壞，增大了支架組對(duì)巷道頂板的適應(yīng)性。分體式超前支架組在國(guó)內(nèi)很多礦區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果[7]。

綜合考慮莒山礦9201 回風(fēng)巷道頂板屬于中等穩(wěn)定型頂板，若使用整體式超前液壓支架組會(huì)對(duì)巷道頂板及錨桿支護(hù)系統(tǒng)造成破壞，特別是對(duì)于工作面附近的端頭區(qū)域，由于受力復(fù)雜，巷道圍巖破壞變形嚴(yán)重，會(huì)對(duì)工作面安全高效生產(chǎn)帶來(lái)一定的安全隱患，根據(jù)巷道實(shí)際情況，為減小對(duì)巷道頂板錨桿支護(hù)系統(tǒng)的破壞，使用分體式超前支架組有助于巷道圍巖的穩(wěn)定，綜合考慮，確定莒山礦巷道超前支架組的型式為分體式。

3 超前支護(hù)參數(shù)

工作面順槽為矩形斷面，根據(jù)自然平衡拱理論，作用在深埋巖體巷道頂部的圍巖壓力為自然平衡拱內(nèi)巖體的自重[8]。

式中：b1為拱的矢高，即自然平衡拱的最大高度；a1為自然平衡拱的最大跨度，可按式（2）計(jì)算：

式中：a 為巷道寬度的一半，取2 m；h 為巷高，取3.2 m；φ 為煤層內(nèi)摩擦角，取28°。

巷道最大圍巖壓力可按式（3）計(jì)算：

式中：f 為擾動(dòng)影響后圍巖硬度系數(shù)；Rc為擾動(dòng)影響下頂板巖體單軸抗壓強(qiáng)度，取19 MPa。

采動(dòng)影響下巷道圍巖壓力：

式中：K1為本工作面采動(dòng)影響系數(shù)，根據(jù)以往實(shí)測(cè)結(jié)果，取1.7；K2為上工作面殘余采動(dòng)影響系數(shù)，根據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取1.5；γ 為上覆巖層容重，取25 kN/m2。

將各參數(shù)代入式（5），支護(hù)范圍內(nèi)超前支架支護(hù)強(qiáng)度下限為P=131.86 kPa；即在支護(hù)范圍內(nèi)支架超前支護(hù)強(qiáng)度不小于131.86 kPa。

4 超前支架確定

根據(jù)上述研究，莒山礦9 號(hào)煤層工作面超前支架建議選用3×ZQL2×4000/21/40WD 型邁步分體式超前支架組，實(shí)現(xiàn)沿空巷道的超前機(jī)械化支護(hù)，其力學(xué)模型如圖1 所示。3×ZQL2×4000/21/40WD 分體式超前支架組主要參數(shù)如下：

圖1 巷道超前支護(hù)力學(xué)模型

支架型號(hào)為2×ZQL2×4000/21/40WD；支撐高度為2.0～4.1 m；支護(hù)強(qiáng)度為0.20 MPa；支護(hù)范圍為超前約20 m；支架個(gè)數(shù)為3×2。

5 應(yīng)用效果分析

3×ZQL2×6000/21/40WD 型邁步分體式超前支架組用于9201 回風(fēng)順槽，實(shí)際支護(hù)期間支護(hù)范圍內(nèi)巷道頂板最大下沉量為187 mm，煤柱幫最大變形量為136 mm，煤壁幫最大變形量為75 mm，巷道圍巖得到了較好的維護(hù)，超前支架組支護(hù)壓力保持在安全閥開(kāi)啟之內(nèi)，超前支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理，可以滿足安全支護(hù)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

工作面超前支架組是綜采面安全支護(hù)的重要裝備，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用條件設(shè)計(jì)超前支架組為出窄型頂梁支架組，根據(jù)巷道錨桿支護(hù)情況合理布置，最大限度避免了超前支架對(duì)巷道錨桿的破壞，增大了支架對(duì)巷道圍巖的適應(yīng)性，具有良好的應(yīng)用效果，后期應(yīng)根據(jù)巷道實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化超前支架組的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效超前支護(hù)。