陜衛(wèi)斌,李學鵬
(晉能控股煤業(yè)集團長平煤業(yè)有限責任公司 山西 高平 048400)
長平公司大采高工作面超前支護區(qū)和端頭端尾區(qū)原有單體柱支護方式已有8~9 個采面的回采歷史,此種方法存在架棚材料消耗大、勞動強度高、倒柱事故多、支護強度低和速度慢等問題,不能適應安全快速高效回采的需要,嚴重影響工作面推進速度。因此我公司結合現(xiàn)階段大采高工作面開采現(xiàn)狀,以巷道設備空間尺寸富余量充足的43063巷為試點進行超前支架試驗研究,通過現(xiàn)場應用可知超前支架完全能夠替代原有單體柱方式,為類似條件下工作面超前支護架使用提供參考。
43063巷是4306大采高工作面的輔運巷道。矩形巷道,煤層厚度5.64 m,傾角4°,煤層穩(wěn)定,地質構造簡單,埋深450 m,直接頂為泥巖,老頂為粉砂巖,直接底為泥巖,老底為粉砂巖,為不易自燃煤層,煤塵無爆炸危險性。4306工作面東側為4304綜采面采空區(qū),西側為4308 綜采面(正在準備),南側為井田邊界,北側為開拓大巷。
巷道采用錨網索聯(lián)合支護,錨桿錨索間排距均為1 m,巷道高度3.5 m,巷道寬度5.6 m,巷道采用兩進一回布置,43063 巷為主進風兼運料,43061 巷為輔助進風兼運煤,43062 巷回風。大采高工作面順槽巷道在4306 工作面以前的超前支護均采用單體柱支護。受大采高工作面超前支承壓力和采動應力影響,工作面煤壁前方超前支護長度為30 m,現(xiàn)場每次均按30 m超前支護布置單體柱。故急需在43063巷開展超前支護支架設備選型和現(xiàn)場工業(yè)試驗。巷道布置、綜合柱狀見圖1圖2。
圖1 巷道布置圖
圖2 綜合柱狀圖
(1)理論計算
為保證工作面回采期間超前支護架能夠滿足巷道頂板穩(wěn)定,應滿足公式[1]:
式中:PC—支架支護強度,PC≥(0~0.5)MPa;
PO—殘余支護強度,PO=0.4 MPa;
PZ—巷道頂板壓力,PZ=(0.4~0.9)MPa。
綜合考慮,取PC=0.14 MPa。
超前支護支架按照7.4 m一組計算,則超前支護支架的工作阻力為:
PC= 0.14×5 600×7.4=5 801 kN,取6 000 kN。
(2)4304工作面43042巷超前支護單體柱阻力實測
4304工作面43042巷超前支護單體柱阻力實測折線圖見圖3。
圖3 4304工作面43042巷單體柱折線圖
從圖3 可以看出:工作面煤壁前方約6 m~12 m 單體柱阻力達到最大值,最大值基本達到單體柱額定阻力,其中現(xiàn)場局部單體柱出現(xiàn)卸液現(xiàn)象。工作面煤壁6 m 以前呈現(xiàn)逐步增大態(tài)勢,12 m 以后呈現(xiàn)逐步縮減態(tài)勢,30 m 以后單體柱阻力呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢,壓力變化不大。所以超前支架選型時重點針對工作面煤壁前方30 m范圍內布置超前支架。
(3)支架主要技術參數(shù)
現(xiàn)場選用3組ZQL2×3000/27/55型超前垛式支架,其主要技術參數(shù)見表1。
表1 超前支架技術參數(shù)
超前支架采用力學分析和機械專業(yè)軟件對支架四連桿機構受力情況進行優(yōu)化設計,可有效避免支架受力不均現(xiàn)象,同時采用有限元軟件實現(xiàn)配件合理使用,進一步增加支架使用可靠性[2]。其主要結構含有底座、雙向伸縮立柱、前后連桿、左右連桿、頂梁、護頂板、防倒千斤頂、底座側拉千斤頂和側翻梁千斤頂?shù)?。超前支護架巷道布置和現(xiàn)場實景圖見圖4圖5。
圖4 43063巷超前支護架巷道布置和結構圖
圖5 超前支護架實物圖
超前支護支架工作方式(見圖4):利用新增端尾架和第1 組超前支架(即超前支護架5、6)互為支點前移,第2組超前支架(即超前支護架3、4)和第1組超前支架互為支點前移,第3組超前支架(即超前支護架1、2)和第2組超前支架互為支點前移,每1組超前支架由左右2架組成,移動時,左右架體邁步自移[3-5]。
超前支架支護操作條件:當工作面采煤機組割過2 次機尾(即機尾割三角煤進刀)、正向機頭方向推進并保證后滾筒距離順槽至少10 個支架時,方可操作“超前-端尾”系列新型支架。
超前支架支護布置參數(shù)要求:走向方向:超前支護架5、6前梁護板前端與工作面端尾架護幫板前端距離不得超過1 m,超前支護架3(或4)前梁和超前支護架5(或6)垛式頂梁距離不得超過1 m,超前支護架1(或2)前梁和超前支護架3(或4)垛式頂梁距離不得超過1 m;傾斜方向:超前支護架5(或3、1)護頂前端和超前支護架6(或4、2)護頂前端距離不得超過1 m;超前支護架超前控頂距離為22.64 m。
超前支架支護操作程序:當機組割過2 次機尾并移架(不含新增端尾架P4)、推溜子機尾后,這時工作面端尾架護幫板和超前支護架5、6前梁交叉0.6 m,故6個超前支護架需要往外一次性移動2個循環(huán)步距1.6 m?!俺?端尾”系列新型支架移架順序為移超前支護架1/2→移超前支護架3/4→移超前支護架5/6→移新增端尾架P4。成組支架采用鄰架操作方式,能夠避免支架工在本架操作時誤傷人。操作超前支護前移至少需要2人配合操作。
超前支架支護操作流程:機組2 次過機尾→頂溜→頂溜子機尾→拉架(不含新增端尾架P4)→第1人操作超前支護架2閥組控制超前支護架1的降架、收前梁和護頂→另1人操作超前支護架4閥組控制超前支護架1 的前移→第1 人操作超前支護架2 閥組控制超前支護架1 升架、打前梁和護頂、1-2 間頂?shù)紫鄬τ透住刂瞥爸ёo架2、3、4、5、6同1→操作新增端尾架P4閥組前移→完成。
(1)經過3個月的統(tǒng)計,平均每天可節(jié)約乳化油成本500元;超前支護人員定額減少2人,每天減少勞務性支出360 元,全年工作日按300 d 計算,可累計節(jié)省乳化油和勞務費30.5萬元。同時杜絕了架棚木垛及板梁等支護材料浪費,取得了良好的環(huán)保和經濟效益。
(2)超前支架初撐力可達到5 235 kN,能夠有效支撐順槽巷道超前段的頂板,保證切頂效果,減緩頂板下沉速度,減少了兩幫及頂?shù)装逡平俊?/p>
超前支護架在4306大采高工作面的應用,解決了長期以來順槽巷道超前支護工序繁雜、勞動強度大、頂板控制難、單體柱搬移不安全、乳化液浪費嚴重等問題,大大減輕了工人勞動強度,取得了明顯的經濟效益和社會效益,有良好的推廣應用價值,為類似條件下超前支架使用提供參考。