綜采工作面兩巷超前支護的研究與應用

蘇 鑫

(西山煤電集團公司東曲礦，山西 古交 030205)

自20世紀80年代以來，我國主要產煤大省機械化采煤技術高速發展，大采高、大產量工作面日常產量均以萬噸計算，年產量達百萬噸的礦井數不勝數。山西省開采技術的發展在采煤技術和設備上都取得了很大的突破，工作面單產、設備開機率、工作面推進速度、工作人員的勞動效率更是逐步提高。但是在生產過程中仍存在諸多制約因素，目前，綜采工作面兩巷的超前支護大多采用單體支柱配合鉸接頂梁的支護方式，支護強度不夠、支護面積不大，易導致漏頂，且工人勞動強度大。為了保障礦井的安全，提高綜采工作面兩巷的頂板管理，需盡快推廣應用超前支護液壓支架。

西山煤電(集團)公司東曲礦回采的28804工作面兩巷首次試用了ZTC40000/25/45型超前支護液壓支架，在安全與效益上取得了較好的效果。

1 使用單體與液壓支架的支護效果對比分析

1.1 使用液壓單體支護的支護效果

綜采工作面兩巷超前支護使用液壓單體支護的支護分布圖見圖1。

由圖1可見，綜采工作面兩巷超前支護使用液壓單體，兩巷超前支護20 m，皮帶、軌道順槽超前10 m以內一梁三柱，柱距1.4 m，排拒0.8 m，10 m 以外一梁兩柱，柱距3 m，排拒0.8 m，綜采工作面無特殊情況采取本支護方式。如遇地質構造或者頂板破碎，在開采過程中，若兩巷超前支護段壓力增大、頂板破碎和出現頂板下沉時，支護改成“一梁多柱”的支護形式(“一梁多柱”支護數量及范圍根據實際情況確定)，若頭、尾順槽頂板壓力增大、下沉范圍擴大，應及時擴大支護范圍，將超前支護長度延長至30 m以上，并根據實際情況進行支設，必要時全部支成“一梁多柱”的形式，若兩巷超前支護段在壓力作用下頂板破碎嚴重，則將棚距縮短為0.5 m，這樣造成綜采工作面兩巷的安全出口寬度不足，單體與單體之間還需采取防倒、防滑措施，工作量增加，單體的運輸及打設，至少需3～4人專門負責，這樣造成操作程序繁瑣，勞動強度大，而且液壓單體容易泄液、回縮量大，單體空載和失效，給安全生產帶來一定的隱患。如遇到較為破碎的頂板，單體與頂板的接觸支護面還需增大，單體對頂板的適應范圍較小。

1.2 采用超前液壓支架的支護效果

東曲礦綜采一隊綜采工作面采用ZTC40000/25/45型超前液壓支架，該工作面兩巷超前支護分布圖見圖2。

ZTC40000/25/45超前支架主要技術參數表見表1。

圖1 使用液壓單體支柱支護的示意圖

圖2 工作面兩巷超前支護分布圖

表1 ZTC40000/25/45超前支架主要性能和技術參數表

該超前支架操作程序為:推架，工作面端頭支架推移轉載機和破碎機。拉架，這些工序只需要一個人完成。而單體液壓支柱，需要人工回柱、扛運到支護地點進行重新打設，至少需要2～3人，還需定期檢測支柱的壓力，單體在打設的過程中要注意單體的四個卡爪要全部卡住鋼梁，并墊上木楔防止單體滑開，出現泄液的單體要及時更換，對于底板較軟的情況采用單體液壓支柱支護要穿鐵鞋，增加了維護工序和工人的勞動強度。相比而言，超前液壓支架工序簡單，提高了生產效率。

由圖2可以看出，該超前支架對于頂板來說完全實現了面與面的接觸形式，無論是頂板破碎還是綜采工作面兩順槽過構造，對各類型頂板都能起到良好的支護效果。

1.3 液壓單體支柱與超前液壓支架性能參數對比

對28804工作面回采過程中，兩巷受回采動壓及工作面周期來壓影響的比較:

28804工作面蓋山厚度148～293 m。上方2#、4#煤已回采、7#煤未回采。4#～8#煤的層間距為66～81 m。頂板情況:該工作面直接頂為2.5～4.7 m砂質泥巖，直接頂為0.7 m泥灰巖，老頂為3.5 m石灰巖，使用YHY60－3(A)數字壓力表檢測礦壓，并采集數據，頂板每隔50 m打設一組礦用頂板離層儀，綜合所有的工作面觀測數據，形成時間、推進距離和阻力的相互關系，得出工作面直接頂初次跨落步距為22～30 m。兩巷只受正常壓力情況所觀測的數據見表2。

表2 兩巷只受正常壓力情況所觀測的數據表

當直接頂垮落時，工作面進入壓力最高峰值觀測的數據見表3。

表3 工作面進入壓力最高峰值觀測的數據表

由此得出，綜采工作面直接頂周期來壓與工作面受正常采動壓力，頂板的移近量及超前支架所受的壓力是正常采動的2倍。超前液壓支架實際的工作阻力為:

式中:

H—未冒落偽頂、直接頂的厚度，m;

S—超前液壓支架受力面積，m2;

γ—容重，t/m3，煤取 1.37，巖石取 2.7;

g—重力常數，N/kg，取 10。

該綜采工作面受正常回采動壓，工作面兩巷超前液壓支護支架的工作面阻力4 500 N，對底板的比壓0.3 MPa，當工作面直接頂周期來壓時，超前液壓支架處于峰值，超前液壓支架工作阻力為10 460 N，對底板的比壓0.65 MPa。

以28202工作面為例，該工作面與28804工作面在同一水平，頂板巖性大致相同，該工作面回采時，皮帶、軌道順槽超前支護單體為一梁三柱，根據底板的巖性從彈性變形到塑形變形的過程發生在瞬間，單體支柱穿“鐵鞋”。頂板每隔50 m打設一組礦用頂板離層儀，綜合所有的工作面觀測數據，形成時間、推進距離和阻力的相互關系，得出工作面直接頂初次跨落步距為25～31 m。兩巷只受正常壓力情況所觀測的數據見表4。

表4 兩巷只受正常壓力情況所觀測的數據表

當直接頂垮落時，工作面進入壓力最高峰值觀測的數據見表5。

表5 工作面進入壓力最高峰值觀測的數據表

工作面超前50 m以外受采動影響不明顯，工作面受正常采動壓力影響超前20 m以內，支護段根據觀測得出阻力在15～13 MPa中間占65%，當綜采工作面直接頂來壓，兩巷超前支護單體處于峰值，支護段根據觀測得出阻力在16～18.9 MPa中間占75%。

通過以上技術參數對比，得出以下結論:

使用單體液壓支柱支護時，頂板下沉量平均值為0.6 m，而使用超前液壓支架時頂板下沉量僅為0.4 m，大大降低了頂板下沉量，有效地控制頂板離層。

液壓單體工作阻力最大僅為18.9 MPa，超前液壓支架工作阻力可達30 MPa，增大了對頂板的主動支撐力，同時減小了對底板的比壓值，能夠很好地保護底板。

2 使用超前液壓支架支護的效果

1)使用超前液壓支架支護實現了綜采工作面兩巷超前支護自動化，由于超前液壓支架操作機維護簡單，從而減少了兩巷超前支護工作的維護量對回采工作面推進速度的影響，提高了綜采工作面回采效率。

2)較液壓單體支柱支護而言，使用超前液壓支架支護減少了綜采工作面超前支護維護工作量，降低了勞動強度，提高了生產效率。

3)使用單體液壓支柱支護，單體與巷道底板接觸面小，容易造成單體鉆底，造成單體回撤困難，使用超前液壓支架支護，減少了工人在端頭支護工作中所存在的安全隱患，保障了工人的生命安全。

4)由于超前液壓支架支護與頂板全面接觸，極大地改善了綜采工作面超前支護段的巷道頂板圍巖條件，為工人提供寬敞工作空間，尤其是遇到綜采工作面頂板較為破碎時，使用單體液壓支柱支護，易造成工作面安全出口處頂板下沉量大，不僅制約了回采速度，同時給安全帶來隱患，而使用超前液壓支架支護極大地改善了綜采工作面回采條件，能夠很好地控制頂板，從而減少采煤工作面三角地段頂板冒頂事故。

3 結語

綜采工作面兩巷超前支護使用液壓支架支護，降低了工人勞動強度，提高了生產效率，對巷道支護安全和煤礦經濟效益有很大的提高，隨著科學技術的不斷發展，超前液壓支架將逐步取代單體液壓支柱，并且將適用于大型綜采設備的配套使用，具有廣泛的推廣應用前景。

［1］王金安，焦申華，謝廣祥.綜放工作面開采速率對圍巖應力環境影響的研究［J］.巖石力學與工程學報，2006(06):32－33.

［2］倪興華.苗素軍綜放工作面端頭及順槽超前液壓支架支護技術［M］.北京:煤炭工業出版，2008(12):85－86.