唐永志徐 剛李萬(wàn)峰張學(xué)亮

（1.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽省淮南市，232001；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

深部大采高綜采面巷道超前支護(hù)技術(shù)研究

唐永志1徐 剛2李萬(wàn)峰1張學(xué)亮2

（1.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽省淮南市，232001；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

以淮南謝橋煤礦深部大采高1242（3）綜采工作面為例，闡述工作面斜頂巷道超前支護(hù)支架的架型、支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)長(zhǎng)度等，巷道超前支護(hù)采用ZQL2×4000/27/56支架，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析了超前支架應(yīng)用的合理性。

工作面巷道 斜頂巷道 超前支架 支護(hù)強(qiáng)度 支護(hù)距離

大采高綜采工作面巷道超前礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、設(shè)備布置密集，是大采高綜采面維護(hù)管理的重點(diǎn)，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定對(duì)超前段要求加強(qiáng)支護(hù)，且加強(qiáng)支護(hù)的長(zhǎng)度不小于20 m。

目前，我國(guó)大采高綜采工作面巷道超前支護(hù)主要有兩種方式:一是采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁或長(zhǎng)鋼梁進(jìn)行支護(hù)；二是采用超前液壓支架進(jìn)行支護(hù)。單純采用單體支柱進(jìn)行超前支護(hù)時(shí)，缺點(diǎn)為強(qiáng)度低、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差且機(jī)械化水平低，影響安全高效綜采面的推進(jìn)。研究認(rèn)為采用超前液壓支架支護(hù)能夠顯著減少工作面圍巖變形，提高超前支護(hù)強(qiáng)度，在有沖擊危險(xiǎn)的工作面巷道采用超前支架能夠起到防沖作用。因此，推廣應(yīng)用超前支架成為大采高綜采面安全高效發(fā)展的必然要求。

廣泛采用大采高綜采技術(shù)的神東集團(tuán)大范圍推廣應(yīng)用超前支架，取得了較好的使用效果，其他集團(tuán)公司也廣泛采用了超前支架進(jìn)行支護(hù)，大采高綜采面普遍向著采用超前液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)的方向發(fā)展，全國(guó)各大礦區(qū)通過采用巷道超前液壓支架，基本解決了地質(zhì)條件較好工作面巷道的超前支護(hù)問題。

隨著礦井開采深度的增加，出現(xiàn)了許多受高應(yīng)力影響的巷道，由于地壓大、巷道變形嚴(yán)重等問題，在推廣超前支架應(yīng)用過程中有些問題有待進(jìn)一步研究解決。

本文以淮南謝橋煤礦深部大采高1242（3）綜采工作面為例，闡述工作面斜頂巷道超前支護(hù)支架的合理架型、支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)長(zhǎng)度等，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用分析了超前支護(hù)的合理性。

1　工作面概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦位于阜陽(yáng)市潁上縣，西鄰國(guó)投新集劉莊煤礦。謝橋礦1242（3）回采13-1煤層，東起西翼C組采區(qū)下山，西至F5-1邊界斷層，北鄰1232（3）軌道巷，南至13-1煤層-658 m底板等高線。地面標(biāo)高+19.1～+26.8 m，回風(fēng)巷煤層底板標(biāo)高為-524.3～-559.4 m，軌道巷煤層底板標(biāo)高為-619.3～-657.4 m，工作面走向長(zhǎng)2923.8 m，傾斜長(zhǎng)362.9 m。煤層厚度平均5.1 m，煤層傾角平均15°。直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖、13-2煤層及煤線復(fù)合頂板，厚度0～12.2 m，平均厚度8.4 m，基本頂為細(xì)砂巖，厚度1.8～11.5 m，平均厚度3.8 m，局部區(qū)域直接覆蓋在13-1煤層之上。工作面采用ZZ13000/28/65D型液壓支架，配套JOY 7LS6C型采煤機(jī)、SGZ1000/3×1000型刮板輸送機(jī)、SZZ1200/700型轉(zhuǎn)載機(jī)、PCM375型破碎機(jī)、DSJ120/200/4×355型帶式輸送機(jī)。

工作面軌道巷與回風(fēng)巷平行布置，回風(fēng)巷階段煤柱平距為8.1 m，回風(fēng)巷沿煤層頂板施工，采用錨聯(lián)網(wǎng)支護(hù)，巷道斷面為直墻斜頂梯形，斷面尺寸5.7 m×3.2 m（凈寬×中高）?；仫L(fēng)巷頂部采用4.8 m長(zhǎng)的M5鋼帶與1.2 m長(zhǎng)的M5鋼帶搭接、配合7根?22 mm×2500 mm錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距900 mm×900 mm。巷道頂板錨索按555形式布置，每排5根錨索，錨索規(guī)格?22 mm× 6200 mm，每排錨索配錨索梁，錨索間排距1100 mm×900 mm。

軌道巷為機(jī)軌合一，帶式輸送機(jī)靠近上幫布置，軌道靠近下幫布置。軌道巷沿煤層頂板施工，采用錨聯(lián)網(wǎng)支護(hù)，巷道斷面形狀、尺寸和錨桿支護(hù)同回風(fēng)巷。頂板錨索按333型式布置，壓力顯現(xiàn)明顯地段按444、3535的方式布置，錨索規(guī)格?22 mm×6200 mm，配合錨索梁，錨索間排距1200（1100）mm×900 mm。

2　超前支護(hù)型式分析

大采高綜采工作面采用超前支架優(yōu)勢(shì)明顯，從其他礦區(qū)的使用經(jīng)驗(yàn)看，超前支架的應(yīng)用是高產(chǎn)高效大采高綜采面的標(biāo)準(zhǔn)配置，取得了較好的效果。1242（3）大采高綜采工作面超前支護(hù)采用超前支架。超前支架的形式多樣，較為典型的有左右片邁步式自移超前支架（多用于運(yùn)輸巷騎轉(zhuǎn)載機(jī)布置）、四柱支撐掩護(hù)式超前支架（前后兩架互相推拉移架）。在地質(zhì)條件好的礦井，超前巷道頂板平整，應(yīng)用較多的為左右片邁步式自移超前支架。

由于謝橋礦1242（3）綜采工作面軌道巷與回風(fēng)巷均為斜頂，若采用左右片邁步式自移超前支架，則由于頂板有一定的傾角，接頂不實(shí)，會(huì)導(dǎo)致超前支架的支護(hù)效率降低，且對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

從1242（3）工作面軌道巷與回風(fēng)巷斷面形狀以及工作面的布置看，帶式輸送機(jī)靠近工作面，六柱式超前支架能夠?qū)A斜頂板全部進(jìn)行有效掩護(hù)。又由于工作面軌道巷設(shè)備多，配套尺寸要求高，而回風(fēng)巷沿空布置，回風(fēng)巷變形量較大，一般可達(dá)1 m以上，充分考慮這些因素后認(rèn)為采用能夠適應(yīng)斜頂?shù)牧匠爸Ъ芎侠砜尚?。因此，工作面軌道巷與回風(fēng)巷選用ZQL2×4000/27/56型超前支架，三架一組，軌道巷與回風(fēng)巷各3組。超前支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　超前支架結(jié)構(gòu)示意圖

超前支架主要參數(shù):支架高度2.7～5.6 m，支架寬度3.99～6.66 m，支架中心距5.46 m，支架工作阻力8000 k N，支護(hù)強(qiáng)度0.4 MPa，推移行程0.9 m，伸縮梁行程0.4 m，操作方式為本架控制。超前支架在工作面的布置示意圖見圖2，軌道巷超前支架支護(hù)斷面圖見圖3。

3　超前支護(hù)合理支護(hù)強(qiáng)度

合理支護(hù)強(qiáng)度的確定是超前液壓支架選型及成功應(yīng)用的關(guān)鍵。合理支護(hù)強(qiáng)度的確定有多種理論和方法。本文考慮巷道頂板垮落的極端條件和錨桿、錨索的殘余支護(hù)強(qiáng)度，通過理論計(jì)算選取合理的超前支架支護(hù)強(qiáng)度。

工作面的超前支護(hù)強(qiáng)度由兩部分支護(hù)構(gòu)成:一是錨桿、錨索的支護(hù)，二是超前支架的支護(hù)。

圖2　超前支架在工作面的布置示意圖

圖3　軌道巷超前支架支護(hù)斷面圖

按照巷道頂板上方直至基本頂發(fā)生垮落的極端情況進(jìn)行分析，超前支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算:

式中:P——巷道所需支護(hù)強(qiáng)度，MPa；

q冒——直接頂巖層自重應(yīng)力，MPa；

Kd——巷道動(dòng)載系數(shù)，取1.5；

γ——體積力，取25 k N/m3，

h——覆巖破壞高度，取7.9 m。

α——煤層傾角，取15°。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）和式（2）計(jì)算得巷道所需支護(hù)強(qiáng)度為0.29 MPa。

軌道巷頂板每排布置有7根頂錨桿，排距0.9 m，5根錨索，排距0.9 m。受采動(dòng)影響后，錨桿支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)一步降低，有效系數(shù)取0.5，錨桿的拉拔力設(shè)計(jì)為125 k N，則每根錨桿殘余支護(hù)力為62.5 k N，7根錨桿的殘余支護(hù)力為437.5 k N；錨索張拉力設(shè)計(jì)為250 k N，有效系數(shù)取0.8，則每根錨索殘余支護(hù)力200 k N，5根錨索的殘余支護(hù)力為1000 k N；7根錨桿和5根錨索支護(hù)面積為5.13 m2（巷道寬度5.7 m、長(zhǎng)度0.9 m），則錨桿錨索提供殘余支護(hù)強(qiáng)度（殘余支護(hù)力/支護(hù)面積）為0.28 MPa。

前述計(jì)算得到巷道所需支護(hù)強(qiáng)度為0.29 MPa，錨桿錨索殘余支護(hù)強(qiáng)度提供0.28 MPa，則需超前支架提供的支護(hù)強(qiáng)度至少為0.01 MPa。

另一種計(jì)算方法是有學(xué)者認(rèn)為超前支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)按采面中部支護(hù)阻力的60%為原則選取，工作面合理支護(hù)強(qiáng)度約為1.1 MPa，則超前支護(hù)強(qiáng)度0.66 MPa，錨桿錨索殘余支護(hù)強(qiáng)度提供0.28 MPa，需超前支架提供支護(hù)強(qiáng)度為0.38 MPa。

ZQL2×4000/27/56型六柱超前支架支護(hù)強(qiáng)度為0.4 MPa，滿足要求。

4　合理超前支護(hù)范圍

對(duì)于超前支護(hù)距離的確定，除了嚴(yán)格按照 《煤礦安全規(guī)程》要求的不小于20 m執(zhí)行外，對(duì)于礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的煤層或特殊開采條件的煤層可以采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法確定，主要依據(jù)超前支承壓力分布和巷道變形情況。大采高綜采工作面的采動(dòng)影響范圍大，對(duì)超前支護(hù)提出了新的要求。多個(gè)煤礦的回采實(shí)踐表明，大采高綜采工作面采動(dòng)影響范圍一般大于20 m，有些甚至達(dá)到60 m以上，由于超前巷道一般采用錨網(wǎng)支護(hù)，具備一定的承載能力，因此，超前支架支護(hù)段一般滿足靠近工作面影響較為強(qiáng)烈的區(qū)域的支護(hù)要求即可。對(duì)于無(wú)回采經(jīng)驗(yàn)的工作面，多采用數(shù)值模擬分析超前段的影響范圍。

謝橋礦及其他類似工作面的回采經(jīng)驗(yàn)表明，超前巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈的范圍多在工作面前方20 m范圍內(nèi)，超前巷道加強(qiáng)支護(hù)一般取30 m即可滿足回采要求。

綜上分析，確定超前支架支護(hù)范圍按不少于30 m考慮。前述采用的ZQL2×4000/27/56型六柱式超前支架，采用三架一組，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度每組18.817 m，則需要兩組即可滿足要求。實(shí)際軌道巷與回風(fēng)巷采用各3組，超前支護(hù)范圍滿足要求。

5　超前支架應(yīng)用效果

謝橋煤礦是首次采用該種型式的超前支架，也是該型支架首次在淮南地區(qū)應(yīng)用。采用該種超前支架，工作面超前維護(hù)每班只需要2人即可完成超前支架前移等工作，而原先采用打雙排單體液壓支柱（排距1 m、柱間距1 m）進(jìn)行維護(hù)，至少需要6人，極大地節(jié)省了人力成本；同時(shí)，移架速度快，能夠滿足工作面的推進(jìn)要求。

監(jiān)測(cè)超前支架立柱受力情況表明，軌道巷與回風(fēng)巷的超前支架均表現(xiàn)出了低初撐力、高工作阻力的特點(diǎn)，礦壓顯現(xiàn)明顯處位于工作面超前13.4 m范圍內(nèi)。

超前支承壓力的實(shí)測(cè)表明，回風(fēng)巷支承壓力影響范圍可達(dá)53 m，軌道巷支承壓力影響范圍可達(dá)78 m，峰值位置在工作面前方6 m，影響明顯段位于工作面前方36 m。

巷道變形情況顯示軌道巷總體變形量不大，頂?shù)准皟蓭鸵平烤?50 mm以內(nèi)。由軌道巷超前支架支護(hù)斷面設(shè)備配套圖得知（見圖3），軌道巷超前支架與轉(zhuǎn)載機(jī)之間的自由空間為575 mm，自由空間小，對(duì)工作面控制刮板輸送機(jī)上竄下滑的要求高。工作面回風(fēng)巷為沿空留巷，同時(shí)受到工作面推進(jìn)速度緩慢、停產(chǎn)檢修時(shí)間過長(zhǎng)等多方面影響，超前支護(hù)段頂?shù)准皟蓭鸵平烤?00 mm以上，實(shí)際使用過程中發(fā)生回風(fēng)巷超前支架被擠住，回風(fēng)巷超前支架拉移困難。

為避免再次發(fā)生沿空回風(fēng)巷超前液壓支架被擠死，制定了預(yù)防方案，合理控制工作面的推進(jìn)速度，以減少超前支撐壓力影響明顯段的變形量；改變超前支架的推移方式，將采用的升降順序邁步前移改變?yōu)樯倭拷抵~步前移，降低超前支架反復(fù)支撐對(duì)沿空巷道頂板原有支護(hù)系統(tǒng)的破壞；工作面停產(chǎn)期間需要適當(dāng)前移超前支架；若以上均不起作用，采取適當(dāng)?shù)乃U(kuò)煤幫措施。

6　結(jié)論

（1）對(duì)于深部大采高斜頂異形斷面巷道采用能夠適應(yīng)斜頂特點(diǎn)的超前支架進(jìn)行超前支護(hù)是可行的。

（2）從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，超前支架的型式、支護(hù)強(qiáng)度、超前支護(hù)距離等參數(shù)選擇合理。

（3）在變形較大的沿空巷道中采用超前支架支護(hù)必須對(duì)配套尺寸及可能的巷道變形進(jìn)行充分估計(jì)，否則容易出現(xiàn)擠死支架現(xiàn)象，極大降低超前支護(hù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Research on forepoling protection technology in roadways of deep fully mechanized mining face with large mining height

Tang Yongzhi1，Xu Gang2，Li Wanfeng1，Zhang Xueliang2
（1.Huainan Mining Industry（Group）Co.，Ltd.，Huainan，Anhui 232001，China；2.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Taking the No.1242（3）deep fully mechanized mining face with large mining height in Xieqiao Coal Mine of Huainan Mining Group for example，the type and supporting intensity parameters and supporting length of forepoling were elaborated，and the ZQL2×4000/ 27/56 type forepoling was adopted.Based on the site actual conditions，the rationality of forepoling application was analyzed.

roadway of mining face，roadway with inclined roof，forepoling，supporting intensity，supporting length

TD355

A

唐永志（1962-），男，安徽淮南人，教授級(jí)高工，碩士，現(xiàn)任淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總工程師，從事礦山建設(shè)及礦井生產(chǎn)技術(shù)管理工作。