工作面超前支架研制與應用分析

王紹星

在煤巖體中開掘巷道后，巷道圍巖必然出現應力重新分布，巷道兩側改變后的切向應力增高部分稱為支承壓力［1］。在工作面回采過程中，采空區不斷擴大，其上覆巖層的重量向四周的煤巖體深部轉移，從而在工作面前方形成超前支承壓力，而兩側形成側向支撐壓力。工作面兩巷的掘進，也同樣使巷道上覆巖層重量轉移到兩側煤體上，從而在巷道兩側形成側向支承壓力。工作面前方兩巷處于工作面超前支承壓力和兩巷側向支承壓力的疊加影響區，巷道變形量大、破壞嚴重，需要采取加強支護和卸壓措施以防治巷道過度變形，保證工作面的正常安全回采。

目前，我國綜采工作面超前支護的方式主要是在巷道掘進施工的錨索、錨桿、金屬網、鋼帶、鋼筋梯等聯合支護的基礎上，采用單體支柱、U型鋼支架、工字鋼金屬支架、金屬頂梁和木頂梁等聯合支護的形式。這種支護方式對于一般淺部開采工作面可以滿足支護強度的需求，而對于特殊情況開采，如孤島工作面和深部工作面開采則經常不能滿足支護強度的要求。并且當前的傳統超前支護方式機械化程度還不高，勞動強度大，支護結構穩定性和安全性一般，不能完全滿足國家對煤礦高效安全生產的要求。所以，設計研制具有高強度、高機械化特點，能夠控制巷道過度變形和防止圍巖沖擊的超前液壓支架，對于保證煤礦高效安全生產十分重要。

1 超前支架研制的技術要求

煤礦上使用的液壓支架按其對頂板的支護方式和結構特點不同，分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三種基本類型。工作面超前支架是為滿足工作面超前支護的特殊要求而發展起來的特種液壓支架，但其在結構形式上還屬于三種基本架型［2］。而從目前已有的超前支架形式來看，超前支架大都是以掩護式或支撐掩護式工作面支架為基礎，增加前探梁、前立柱和前底座等而成的。作為為工作面超前支護服務的特種支架，超前支架的設計必須要滿足超前支護段的特殊要求。經現場實踐經驗總結并參考相關文獻得出，設計兩巷超前支護液壓支架必須滿足以下技術要求：

1)支架尺寸方面。超前支護液壓支架的頂梁、前探梁和側護板能夠隨支護斷面尺寸的變化來調節，對巷道頂底板移近和兩幫變形具有很強的適應能力;支架結構設計滿足超前支護段內轉載機、破碎機、皮帶輸送機的布置尺寸，并留有足夠的安全空間和確保足夠的行人空間。

2)支架強度方面。超前支護液壓支架能夠提供足夠的初撐力和工作阻力，初撐力能夠支撐起直接頂巖層重量，提供足夠的初始主動支撐力以減小頂板下沉和防止直接頂和老頂的離層;支架的工作阻力能夠有效地控制頂板的最大變形量，防止頂板下沉量過大影響生產而需人工挑頂現象的發生，保證工作面的高效連續生產。

3)支架拉移轉運方面。隨著工作面回采，兩巷超前段不斷前移，超前支護支架相應也需不斷向前移動。因此，超前支架要和工作面其他設備有效協調配合，拉移動作快速便捷，才能不影響生產。要求支架具有強的移動能力，推移千斤頂所能產生的拉架力要達到超前支架總重量的3～5倍，以保證各種特殊情況下都能順利移架。

4)支架壽命方面。要具有和工作面支架相適應的服務年限和大修周期，保證超前支護支架和工作面支架的有效配套使用。

5)支架操作方面。機械化程度高，操作簡便，可取消繁重體力勞動。操作支架時將會引起支架四周煤巖體應力分布大的變化，煤巖體的變形破裂加劇，發生沖擊等安全事故的可能性加大。因此，超前支架要提供有效的安全保護空間，保證操作人員的人身安全。

2 超前支架現場應用分析

進入21世紀之后，我國東部許多煤礦都進入了開采晚期，地質條件好的儲量已開采完畢，只剩一些條件差的儲量可以開采。在生產過程中巷道壓力顯現明顯，尤其是超前支撐段，有些煤礦已經影響了正常生產和威脅工人人身安全，為巷道支護提出了更加嚴格的要求。同時，我國煤礦液壓支架研發制造能力的提高也為巷道超前支護機械化提供了條件。對于一些礦井，已經開始和煤機廠合作研發適用于自己實際條件的超前支護液壓支架，并進行了實際應用。下面對這些支架的應用情況進行分析。

神華集團補連塔煤礦采用支撐掩護式超前液壓支架，其特點是：超前支架的各個機構如頂梁、前探梁和側護板可隨巷道斷面的變化來調節，對巷道頂底板移近和兩幫變形具有很強的適應能力。和工作面支架一樣，超前支架采用柱體內液壓來控制支架的支撐力，支架的初撐力是主動施加的，而工作阻力則是頂板壓出來的，對頂板壓力顯現具有很好的適應性。同時，支架電液控制系統安裝在端頭支架，支架操作工可以在端頭支架的保護下進行移架操作，保證了工人的人身安全［3］。

義馬集團躍進煤礦采用門式支架+橢圓型棚進行超前支護，不僅提供較高的支護強度，有效控制巷道的變形量，而且對頂底板和左右幫都有很強的防沖擊的能力。

神華集團小紅溝煤礦采用了鄭州四維機電設備制造有限公司制造的ZCH9030前后置式超前支護液壓支架，該支架是前置支架、后置支架互為支點交替邁步前移的。先降下后置支架，收前置支架、后置支架之間的推移千斤頂，以前置支架為支點，來移動后置支架，反之，則可以推動前置支架進行前移［4］。

晉煤集團成莊煤礦根據回采需要設計的超前液壓支架，其特點是，采用窄四連桿結構，增大通風斷面，滿足工作面通風要求。支架頂梁由兩段箱形結構鉸接而成，前后設置回轉前梁，具有很強的適應頂板變形的能力。每臺支架均設四連桿機構和二力桿機構，保證支架的穩定性［5］。

潞安集團王莊煤礦超前支護液壓支架，有效的解決了移架問題，不再采用傳統單體柱似的隨著工作面回采，離工作面最近的超前支架撤下，再安裝到超前支護外側的方式。這樣使巷道頂板避免了受到超前支護液壓支架的反復支撐而變得破碎和不易維護［6］。

兗礦集團東灘煤礦的超前支架也有效地解決了超前支架移架時反復支撐頂板的問題。其思路是將多條履帶組成一個整體的頂梁，在支架前移時采用帶壓移架，防止出現反復支承頂板造成頂板破碎情況的出現，并且提供足夠的初撐力，保證了頂板的穩定性和完整性［7］。

在超前支護液壓支架實際應用中，主要還存在以下不足之處：1)部分超前支架的移架方式容易造成對頂板的反復支撐，引起頂板變形嚴重和破碎，不利于巷道圍巖的維護。且由于巷道采用錨桿、錨索支護，在巷道壁會有一部分外漏，影響超前支架頂梁與巷道頂板的接觸效果。2)對于兩巷超前支護段來說，頂底板和兩幫的變形量都很大，而兩幫發生沖擊的可能性更大，要求支架具有較強的防護兩幫沖擊的能力。而實際的超前支架，除了義馬躍進礦的門式支架+橢圓型棚的組合外，一般都只對頂底板具有較高的防護能力，側向的防護能力和穩定性不足。3)超前支護段中放置有各種生產配套設備，這些設備的尺寸、位置和超前支架不易配套，不如單體支柱靈活。

3 結語

本文針對超前支護液壓支架的基本結構形式，分析了工作面超前支護液壓支架應滿足尺寸、強度、拉移轉運、壽命、操作五方面技術要求，為超前支架研制設計提供了依據，介紹了現有超前支架的應用情況以及其特點，為其它礦井選擇超前支架提供參考。超前支架作為超前支護的一個發展趨勢，在未來的生產實踐中將會得到更多的應用。

［1］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003：58－60.

［2］ 朱真才，韓振鐸.采掘機械與液壓傳動［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2008：182－186.

［3］ 羅 文.工作面順槽超前液壓支架的研制及應用［J］.煤炭工程，2009，11(11)：98－99.

［4］ 何 勇.超前支護式液壓支架在綜采放頂煤工作面的試用［J］.煤礦機械，2009，1(30)：188－189.

［5］ 呂 兵.成莊礦綜采工作面超前液壓支架的設計［J］.礦山機械，2011，8(39)：144－145.

［6］ 趙建敏.綜放孤島工作面順槽超前支護選型研究［J］.中國西部科技，2011，1(3)：7－9.

［7］ 潘永健，毛昌明.工作面順槽超前支護設備現狀綜述［J］.礦山機械，2007，4(28)：5－7.