綜掘巷道超前支護裝置及其應用研究

呂 志 朱建明 胡 宇 王 宇

(1.北方工業大學建筑工程學院，北京 100144；2.遼寧天安礦山科技有限公司，遼寧 撫順 113122；3.潞安集團王莊煤礦，山西 長治 046031)

綜掘巷道超前支護裝置及其應用研究

呂 志1朱建明1胡 宇2王 宇3

(1.北方工業大學建筑工程學院，北京 100144；2.遼寧天安礦山科技有限公司，遼寧 撫順 113122；3.潞安集團王莊煤礦，山西 長治 046031)

為了解決巷道掘進面事故頻發，超前支護越來越得到重視，而傳統的臨時超前支護方式存在諸多弊端，如支撐力不足，支護面積小，作業耗時長、工人勞動強度大、作業安全無保障，已不能適應當前巷道圍巖變形特點，本研究將應用新研制的超前支護裝置，結合現場工業性試驗以及FLAC數值模擬進行驗證。結果表明，該新型超前支護裝置結構設計合理可靠，易操作，對于提高巷道開挖后第三向應力水平具有積極的作用，并且該裝置可以實現在巷道開挖后“無支護-臨時超前支護”等工藝過程的無縫銜接過渡，顯著地提高了采煤正規循環率，同時應用該裝置的工作面，不僅增強了工人的安全感，也提高了工作效率。超前支護裝置在王莊煤礦應用的整個工業性試驗期內取得了很好的支護效果與經濟效益，完全可以滿足安全生產的需要。

超前支護 圍巖變形 圍巖-支護相互作用

煤礦安全中頂板事故一直受到高度重視，近年來，掘進工作面事故頻發，主要是因為巷道開挖后有一定的空頂距離，而且受力狀態比較復雜，如不采取有效的臨時支護，很容易出現冒頂，片幫現象。而在地質條件差的情況下，此類現象更易發生[1]。

目前我國煤礦開采過程中主要采用以下2種傳統臨時支護方式：前探梁臨時支護；機載臨時支護。由于受傳統臨時支護結構設計影響，主要表現在支撐力不足，支護面積小，作業耗時長、工人勞動強度大、作業安全無保障，在松軟破碎圍巖條件差的條件下無法進行超前臨時支護[2]。近年來已經造成很多起掘進工作面冒頂片幫事故的發生，影響了煤礦工人的生命安全和掘進生產的正常進行，嚴重限制了生產效率的提高。因此，傳統的臨時支護方式已不能滿足當今安全快速高效掘進生產的需要，研制適合地質條件，支撐力強、支護面積大、作業時間短、安全系數高的臨時支護裝置具有非常重要的意義。

1 超前支架結構設計

為了解決巷道掘進工作面臨時支護的問題，而研制了一種新型超前支護裝置(ZJC2×1040/30/42)，該超前支架解決了傳統臨時支護存在的諸多問題。同時，在巷道掘進作業過程中，該超前支護裝置可以實現無支護、臨時超前支護、永久性支護等工藝過程的無縫銜接過渡，大大縮短了圍巖開挖后空頂現象的時間，可以將圍巖的變形盡可能地減小，防止冒頂片幫事故的發生。在地質條件良好的情況下甚至可以實現連續掘進與連續超前臨時支護作業，很大程度上提高了采煤的正規循環率。

圖1、圖2分別為超前支架的立面圖和俯視圖。該超前支護裝置主要由2部分構成，分別為金屬結構件和液壓系統。其金屬結構件主要有：頂梁、橫梁、伸縮梁、前后連桿、上下連桿等組成。液壓控制系統主要包括：液壓伸縮立柱、液壓伸縮梁、移架千斤頂以及液壓控制元件和液壓輔助元件。超前支架各結構件之間采用螺栓、銷軸鏈接。各管路之間采用U型卡、快速接頭等連接，保證了超前支架安裝與拆卸維護的方便[3]。其主要技術參數如表1所示。

圖1 ZJC2×1040/30/42型超前支架立面圖

圖2 ZJC2×1040/30/42型超前支架俯視圖

型 號ZJC2×1040/30/42適應巷道傾角/(°)12支架高度/mm3000～4200額定工作阻力/kN1040初撐力/kN456平均支護強度/MPa022對底板比壓/MPa034支架中心距/m外側47，內側416運輸外型尺寸/(m×m×m)最大45×035×03

超前支護裝置采用多柱支撐，整體框架式結構，強度高、穩定性好、初撐力小易于頂板控制。同時該裝置采用整體鉸接排式順梁，作業過程中具有很好的接頂性，能及時支護掘進后新暴露的頂板，頂板的完整性得到了保護。并且該裝置全部采用液壓式操作，響應速度快、移架步距大，可適應當前臨時支護過程中時間和空間上的需求。

2 超前支架與巷道圍巖相互作用

隨著巷道的開挖與支護，構成支架與圍巖的一個相互作用系統。其中圍巖自身具有很強的自承載能力，當巷道開挖后，圍巖承受著主要的壓力[4]。同時在圍巖與支架的相互作用過程中，二者對于巖層壓力的分配是變化的，當圍巖自身承受巖層壓力越多，則支架承受壓力越少。當地質條件較好時，巷道掘進后圍巖尚處彈性變形階段，此時圍巖自身將主要承受巖層壓力。當部分巖體轉化為塑性變形階段后，支架將承載部分壓力，但此時塑性變形階段的圍巖仍具有一定的支撐力。因此，圍巖的自承載能力不能被忽略。在巷道支護過程中要充分利用圍巖自身承載力，這樣才能達到經濟并且良好的支護效果[5]。

巷道在未被開挖前，由于自重和構造應力的影響，圍巖處于三向應力平衡狀態[6-7]。當巷道掘進后，三向應力平衡狀態遭到破壞，圍巖內部應力將重新分布[8]。由于開挖形成采空區，暴露一側的圍巖應力減為零，圍巖由之前的三向應力平衡狀態轉變為二向應力狀態，圍巖強度急劇下降，如果此時超過圍巖的自身承載能力且支架不能及時提供足夠的支撐力，則圍巖將由暴露一側的表面延伸至內部發生破壞，形成冒頂事故的發生[9]。所以提高圍巖開挖后第三向應力水平具有非常重要的意義。而超前支護裝置具有強度高、支護面積大、易操作等特點，能及時提高巷道開挖后第三向應力水平，從而使開挖后的巷道保持穩定狀態，防止冒頂事故的發生。圖3為超前支護裝置在巷道開挖中的作業過程，實現了綜掘機掘進、超前臨時支護等工藝過程的無縫銜接。

圖3 ZJC2×1040/30/42型超前支架作業示意

3 工程實例分析

潞安集團王莊煤礦位于山西省長治市。此超前支架在王莊煤礦7103工作面進行了工業性試驗，該工作面所掘煤層為沁水煤田3#煤，在本巷道工作面范圍內，煤層厚度穩定在6.8 m左右。針對7103工作面所采用的ZJC2×1040/30/42型超前支架裝置的技術參數，選取尺寸為5.0 m×4.0 m的巷道進行超前支架支護，分析在此臨時超前支護作用下巷道圍巖變形的規律。

圖4、圖5所示的為巷道在使用超前支護裝置及無支護作用下的巷道圍巖塑性區破壞圖。根據圖4所示的超前支架作用下的圍巖塑性區破壞圖可知，采用超前支架對巷道圍巖進行支護，只有在巷道頂板位置出現了拉伸破壞，并且在兩幫以及底板部位都出現了彈性區域。根據圖5未使用臨時超前支護裝置作用下的巷道圍巖塑性區破壞圖可知，巷道頂底板以及兩幫都發生了塑性破壞，頂底板破壞深度分別為1.0 m，1.0 m。兩幫受到的破壞影響最為嚴重，破壞深度達到了1.5 m。根據圖4、圖5對比可知，在使用超前支護裝置的作用下，圍巖的穩定狀態得到了極大保障，對于控制圍巖變形具有非常積極的作用。

圖4 超前支架作用下圍巖塑性區破壞場分布

圖5 無支護作用下圍巖塑性區破壞場分布

圖6至圖9分別給出了巷道在使用超前支護裝置及無支護作用下的巷道頂板、底板以及兩幫變形量對比圖。根據圖中曲線可知，采用超前支架對巷道頂板圍巖進行支護，其頂板最大位移量為34.83 mm，而在無支護條件下，其最大位移量為46.54 mm，其最大位移量減小了25%。而對于兩幫位移及巷道底鼓量，其位移量減小量不明顯。由于采用超前液壓支架約束了巷道頂板及底板的位移，使得巷道兩幫圍巖結構發生了一定的變形，相較于無支護條件下來說，其兩幫位移量有所增加。但是，從結果來看，這種增加量較小。

圖6 超前支架及無支護作用下頂板下沉量對比

圖8 超前支架及無支護作用下左幫變形量對比

圖9 超前支架及無支護作用下右幫變形量對比

巷道7103工作面位移監測如圖10所示，由圖10可以看出，觀測的7103工作面運巷表面位移具有以下規律：在巷道掘進后的10 d內頂底板以及兩幫表面移近量迅速增長，其頂底板表面位移的移動速度為3.7 mm/d，兩幫圍巖表面移近速度為4.9 mm/d。頂底板以及兩幫圍巖表面移近量保持增長45 d，在45 d后其圍巖變形趨于穩定，頂底板的移近量保持在57 mm左右，兩幫的移近量保持在84 mm左右，圍巖的變形速率低于0.15 mm/d，圍巖變形受到了有效控制。

圖10 巷道表面監測曲線

經過核算，超前支護裝置在整個工業性試驗期間實現安全生產，沒有出現任何安全事故，巷道掘進正規循環率提高10%以上，巷道掘進成本降低18%左右，掘進成本至少降低1 215元/m。

4 結 論

(1) 超前支護裝置具有可靠性高、結構簡單、支護強度大、穩定性好、適應能力強等特點。

(2)在使用該裝置條件下可以實現無支護、臨時超前支護、永久性支護等工藝過程的無縫銜接，提高了采煤的正規循環率，取得了很好的經濟效益。

(3)通過數值模擬和現場監測數據表明，采用超前液壓支架對巷道圍巖進行支護，對于提高巷道開挖后第三向應力水平具有積極的作用，對于穩定巷道圍巖結構具有重要意義。

(4)應用超前支護裝置的工作面，安全環境得到了極大改善，工人在有保護的頂板條件下工作，不僅增強了工人的安全感，同時也提高了工作效率。

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(責任編輯 石海林)

Forepoling Device for Fully Mechanized Roadway Heading and Its Application

Lu Zhi1Zhu Jianming1Hu Yu2Wang Yu3

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineer,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China；2.LiaoningTiananMiningTechnologyLimitedCompany,Fushun113122,China；3.Lu'anGroupWangzhuangCoalMineChangzhi046031,China)

In order to fully avoid the accidents in mechanized work face,more and more attention is paid on the forepoling.However,the traditional temporary forepoling has many disadvantages,such as lack of the support force,less support area,longer operating time,higher labor intensity and lower security.It does not adapt to the characteristics of surrounding rock deformation.The newly-developed advanced forepoling is applied to make verification,combining the on-site industrial tests and the FLAC numerical simulation.The results show that the new forepoling device has a feature of reasonable support structure,and easy operation.It has a positive effect on improving the stress level in third direction after excavation,and can be used to make a perfect process transition from no support to temporary forepoling in the tunnel excavation and improve the normal recycling rate of the mining.In addition,the application of forepoling in the working face improves the environment security,and also increases the working efficiency.A good supporting effect and economic benefit has been achieved by applying this forepoling in Wangzhuang Coal Mine in a whole industrial test.So the forepoling can completely meet the needs of safe production.

Forepoling,Deformation of surrounding rock,Interaction of surrounding rock and support

2014-10-04

呂 志(1989—)，男，碩士研究生。

TD353

A

1001-1250(2015)-02-045-04