韋建龍

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

我國作為煤炭儲量大國，煤炭資源總儲備量達(dá)5.97萬億t。然而，我國煤炭埋深在1 000 m以下的賦存量占據(jù)50%左右。中國工程院院士袁亮指出：“我國采深超千米的礦井有47座，現(xiàn)有煤礦采深正以平均每年10～25 m的速度增加”。隨著開采深度及強(qiáng)度的持續(xù)增加,巷道支護(hù)難度大幅提高。因此，增強(qiáng)機(jī)電一體化和自動化技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)高性能的開采技術(shù)裝備，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)過程自動化、集約化是必然趨勢[1-2]。

1 超前支護(hù)的必要性

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內(nèi)必須加強(qiáng)支護(hù)，且加強(qiáng)支護(hù)巷道長度不得小于20 m[3]。超前支護(hù)不僅能有效防止巷道超前支護(hù)段冒頂事故的發(fā)生,提高人員作業(yè)的安全性,還能加快工作面推進(jìn)速度,實(shí)現(xiàn)工作面的安全高效生產(chǎn)[4]。隨著煤礦綜采工作面的超強(qiáng)度及大采深發(fā)展，礦井開采強(qiáng)度大，推進(jìn)速度快，工作面超前礦壓顯現(xiàn)劇烈，對超前支護(hù)支架的移動速度、支護(hù)方式及支護(hù)強(qiáng)度提出了更高的要求[5]。

2 我國超前支護(hù)工藝形式及概況

2.1 垛木架支護(hù)工藝

我國煤炭開采巷道超前支護(hù)工藝研究起步晚。早期國內(nèi)煤礦支護(hù)方式主要以垛木架的形式進(jìn)行簡單臨時支護(hù)，垛木架完全憑借人工進(jìn)行搭建。一方面，垛木體積大、質(zhì)量重，工人勞動強(qiáng)度大；另一方面，垛木架支護(hù)屬于被動支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度低且支護(hù)性能差。因此，垛木支護(hù)工藝對頂板沉降沒有預(yù)支作用，頂板出現(xiàn)一定的沉降后才能與木垛接觸起到支護(hù)作用。另外，搭建拆卸過程危險(xiǎn)程度高，且隨著工作面的推進(jìn)，垛木支護(hù)架不進(jìn)行回收利用，造成資源浪費(fèi)。由此可見，垛木架支護(hù)工藝存在安全性和經(jīng)濟(jì)性較差的特點(diǎn)。目前，垛木架僅作為綜采面推進(jìn)過程中端頭臨時掩護(hù)支架，不用作其他支護(hù)。

2.2 金屬棚支護(hù)工藝

隨著煤礦對超前支護(hù)工藝性能要求的提高，具備大支護(hù)強(qiáng)度和讓壓特性的金屬棚支護(hù)工藝逐步發(fā)展。金屬棚支護(hù)裝備由3節(jié)相互獨(dú)立的金屬鋼梁通過夾板裝置連接緊固。由于可以根據(jù)巷道截面形狀設(shè)計(jì)與巷道尺寸切合的金屬鋼梁，所以金屬棚支護(hù)工藝具有很好的巷道適應(yīng)性，如圖1所示。

圖1 金屬棚超前支護(hù)工藝布置

盡管金屬棚支護(hù)具有支撐力大、巷道適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是金屬棚支護(hù)仍屬于被動支護(hù)，金屬鋼梁無法給頂板提供預(yù)支力。其支護(hù)原理與垛木架支護(hù)工藝的相同，無法對頂板的沉降提供預(yù)支作用。在金屬梁回撤過程中，部分垮塌的頂板經(jīng)常出現(xiàn)大面積沉降、垮落現(xiàn)象，造成支架回撤安全風(fēng)險(xiǎn)大、難度高的局面。目前大多數(shù)煤礦已放棄使用金屬棚支護(hù)工藝，改用其他較先進(jìn)的支護(hù)工藝。

2.3 錨噴、錨網(wǎng)支護(hù)工藝

為改善巷道支護(hù)過程中頂板支撐受力和預(yù)防頂板前期沉降，錨噴、錨網(wǎng)等澆筑式支護(hù)工藝開創(chuàng)了煤礦支護(hù)的新局面。無論是錨噴支護(hù)還是錨網(wǎng)支護(hù)，都是先在巷道表面用混凝土進(jìn)行噴漿處理，再用錨桿將頂板、側(cè)幫與混凝土噴漿層進(jìn)行連接緊固。利用錨索預(yù)緊力為頂板巖層提供預(yù)支力，抵抗頂板巖層發(fā)生沉降，混凝土噴漿層起到定型作用[6]，一定程度上防止頂板發(fā)生形變，能有效降低頂板發(fā)生沉降、垮塌的概率，如圖2所示。

圖2 錨噴、錨網(wǎng)支護(hù)工藝

盡管錨噴、錨網(wǎng)支護(hù)工藝在一定程度上改善了巷道頂板發(fā)生沉降、垮塌的現(xiàn)象，但錨桿(索)的安裝固定、鋪設(shè)金屬網(wǎng)等工作均需要大量人工參與完成，如圖3所示。工作量大、人員勞動強(qiáng)度高、安裝過程危險(xiǎn)等缺點(diǎn)制約著該工藝的推廣使用。另外，錨桿(索)抗變形能力差，承載能力弱，頂板來壓較大時易發(fā)生嚴(yán)重變形，引起巷道截面變形，導(dǎo)致回風(fēng)受阻、工作面無法推進(jìn)。

圖3 錨桿、金屬網(wǎng)安裝過程

2.4 單體柱支護(hù)工藝

隨著我國煤礦井下超前支護(hù)工藝的發(fā)展和對國外支護(hù)工藝設(shè)備的引進(jìn)借鑒，20世紀(jì)90年代末中國礦業(yè)大學(xué)成功研制了柱塞懸浮式單體支柱。由于單體柱具有體積小、支護(hù)強(qiáng)度高、維修方便、綜合成本低等優(yōu)勢，所以單體柱支護(hù)作為一種新型支護(hù)工藝迅速發(fā)展成為我國煤礦井下超前支護(hù)的主流產(chǎn)品，如圖4所示。

圖4 單體柱支護(hù)

單體柱可與金屬梁配套使用，也可單獨(dú)使用，供綜采面運(yùn)輸順槽巷和回風(fēng)順槽巷作支護(hù)使用。將煤礦巷道頂板壓力作為單體支護(hù)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)，提升單體支柱的支護(hù)性能，確保支護(hù)巷道的安全通暢。但在特殊地質(zhì)條件下或臨面開采時，采用單體柱超前支護(hù)工藝存在以下問題：

1) 支護(hù)強(qiáng)度低。當(dāng)煤層頂板壓力較大時，單體柱不能滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，經(jīng)常發(fā)生頂板下沉、單體柱鉆底等現(xiàn)象，導(dǎo)致支護(hù)失效。

2) 支護(hù)效率低，勞動強(qiáng)度大，如圖5所示。搬移單體勞動強(qiáng)度大，支護(hù)過程繁瑣，全靠人力完成，支護(hù)過程速度慢、效率低[7]。

圖5 單體柱人工支護(hù)

3) 安全性差。支護(hù)過程中支護(hù)人員頻繁穿行，危險(xiǎn)性大，易造成安全事故。

2.5 超前液壓支架支護(hù)工藝

20世紀(jì)末我國煤炭開采事業(yè)進(jìn)入高效快速發(fā)展的黃金時期，神華神東煤炭公司、同煤集團(tuán)、兗礦集團(tuán)等大型煤礦紛紛進(jìn)入超強(qiáng)度、大采深的發(fā)展現(xiàn)狀。礦井開采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快的綜采特點(diǎn)，要求超前支護(hù)必須具有更高的機(jī)械化、自動化水平。因此，新一代超前液壓支架支護(hù)工藝應(yīng)運(yùn)而生。該工藝采用四連桿超前支架、自移式超前支架等步進(jìn)式頂梁支護(hù)液壓支架作為支護(hù)主體如圖6、圖7所示。支架可隨綜采工作面推進(jìn)自行跟隨推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面的安全高效生產(chǎn)。中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院做為國內(nèi)煤炭開采裝備的制造先驅(qū)，已設(shè)計(jì)研發(fā)了多種超前液壓支架，如國內(nèi)首套大采高四柱支撐掩護(hù)支架、國內(nèi)首臺回采動壓巷道機(jī)械化超前支護(hù)液壓支架、國內(nèi)第一套切頂四柱低位放頂液壓支架、國內(nèi)首臺6.5 m大采高兩柱掩護(hù)液壓支架等多種系列超前支架。

圖6 整體式超前支架

圖7 分體式超前支架

超前液壓支架主體一般包括前探梁、頂梁、立柱、底座、伸縮梁、推移千斤頂6大部分。立柱作為承載主體為支架提供支撐力。采用大缸徑單級液壓缸，乳化液作為動力傳遞介質(zhì)，流體特性決定了超前液壓支架具有一定的初撐力。因此，它能夠有效減緩巷道斷面發(fā)生形變，確保巷道截面的完整性，保證人員安全和設(shè)備完好。支架梁體和側(cè)護(hù)板可根據(jù)巷道斷面形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有良好的接頂性能和護(hù)幫性能[8]。

盡管超前液壓支架具有一定的優(yōu)越性，但在移架過程中，支架升降反復(fù)支撐頂板，導(dǎo)致超前支護(hù)段巷道頂板下沉快、易破碎，兩幫變形大，推進(jìn)過程中經(jīng)常發(fā)生大面積掉頂，極易造成傷亡事故。隨著開采深度的增加，頂板破碎程度、下沉速度和變形幅度等在礦壓作用下逐步突顯，經(jīng)常出現(xiàn)“巷道頂板壓死超前支架”的現(xiàn)象。采取人工放頂、臥底等應(yīng)對措施費(fèi)時費(fèi)力，超前支架撐不住、移不動，對生產(chǎn)帶來極大影響。此外，大支護(hù)面積決定支架質(zhì)量大，超前支架步進(jìn)式移架方式必須頻繁反復(fù)支撐頂板，造成頂板破壞性較大，容易引發(fā)頂板垮落，不利于巷道頂板圍巖的維護(hù)[9]。文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)的ZFDC26500型超前支護(hù)支架組雖然解決了人員安全保護(hù)問題，但仍然存在反復(fù)支撐頂板，支撐過程步驟多、勞動強(qiáng)度大的問題，支架移動過程阻力大，增加了危險(xiǎn)性。文獻(xiàn)[11]中設(shè)計(jì)的ZYDC5030型和ZFDC8000型超前支護(hù)支架運(yùn)用以護(hù)為主的支護(hù)理論，雖然在支架初始安裝時降低了對頂板的反復(fù)支撐破裂，但遭遇巷道首次來壓導(dǎo)致頂板破壞后，其步進(jìn)式支護(hù)方式仍需要對頂板進(jìn)行反復(fù)支撐，造成頂板破碎。此外，超前液壓支架只適用在頂板具備中等穩(wěn)定性能以上的煤礦巷道，工藝適用范圍具有一定的限制性。

3 超前支護(hù)工藝的展望

隨著我國煤炭開采事業(yè)的發(fā)展，提出了發(fā)展創(chuàng)建具有“本質(zhì)安全礦山、高效礦山、清潔礦山”特征的新型智慧礦山?！鞍踩?、高效、綠色”開采是未來煤炭開采的發(fā)展理念和必然趨勢。設(shè)計(jì)制造高端機(jī)械化、智能化、信息化的現(xiàn)代開采裝備是實(shí)現(xiàn)智慧礦山的必要條件和唯一途徑。由于現(xiàn)有超前液壓支架與傳統(tǒng)的超前支護(hù)方式都有其局限性，所以具有安全可靠性好、機(jī)械自動化程度高的新型煤礦超前支護(hù)工藝成為超前支護(hù)的發(fā)展方向。

3.1 可搬運(yùn)單元式超前支架工藝

對于采動影響范圍廣、巷道壓力大、頂板易破碎的工作面巷道，設(shè)計(jì)研發(fā)可搬運(yùn)單元式超前支護(hù)工藝，用單元式支架代替單體液壓支柱、超前液壓支架支護(hù)方式。在支護(hù)強(qiáng)度不變的情況下，每一個單元式超前支架通過專用搬運(yùn)車或絞車?yán)贫伎蓪?shí)現(xiàn)獨(dú)立移架，避免了對巷道頂板的反復(fù)支撐。通過可搬運(yùn)單元式超前支架和端頭支架聯(lián)合支護(hù)，實(shí)現(xiàn)巷道超前機(jī)械化支護(hù)。

3.2 無人智能化超前支護(hù)工藝

對于巷道頂板條件差、易發(fā)生垮塌的工作面巷道，借助井下Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、4G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、紅外掃描、激光定位等現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)集自主導(dǎo)向、自行走、定位功能于一體的智能化液壓支架，配合地面控制中心，實(shí)現(xiàn)井下無人化超前支護(hù)作業(yè)，從根本上解決人員安全性問題，確保煤礦生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文通過對國內(nèi)煤礦現(xiàn)有多種綜采工作面巷道超前支護(hù)工藝的支護(hù)特性進(jìn)行分析討論，指出現(xiàn)有超前支護(hù)勞動強(qiáng)度大、支架移動阻力大、移架速度慢、頻繁反復(fù)支撐對頂板破壞性大等問題已成為我國煤礦超前支護(hù)工藝亟需解決的難題。隨著“安全、高效、綠色”開采發(fā)展理念的提出，設(shè)計(jì)研發(fā)可搬運(yùn)單元式超前支架、無人智能化超前支護(hù)等現(xiàn)代化支護(hù)裝備勢在必行。高機(jī)械化、智能化、信息化的現(xiàn)代開采裝備是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、安全清潔型智慧礦山的必要條件和唯一途徑。