深部大采高綜采面巷道超前支護技術研究

唐永志徐 剛李萬峰張學亮

（1.淮南礦業（集團）有限責任公司，安徽省淮南市，232001；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013）

深部大采高綜采面巷道超前支護技術研究

唐永志1徐 剛2李萬峰1張學亮2

（1.淮南礦業（集團）有限責任公司，安徽省淮南市，232001；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013）

以淮南謝橋煤礦深部大采高1242（3）綜采工作面為例，闡述工作面斜頂巷道超前支護支架的架型、支護強度、支護長度等，巷道超前支護采用ZQL2×4000/27/56支架，通過現場實際情況分析了超前支架應用的合理性。

工作面巷道 斜頂巷道 超前支架 支護強度 支護距離

大采高綜采工作面巷道超前礦壓顯現強烈、設備布置密集，是大采高綜采面維護管理的重點，《煤礦安全規程》規定對超前段要求加強支護，且加強支護的長度不小于20 m。

目前，我國大采高綜采工作面巷道超前支護主要有兩種方式:一是采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁或長鋼梁進行支護；二是采用超前液壓支架進行支護。單純采用單體支柱進行超前支護時，缺點為強度低、效率低、勞動強度大、安全性差且機械化水平低，影響安全高效綜采面的推進。研究認為采用超前液壓支架支護能夠顯著減少工作面圍巖變形，提高超前支護強度，在有沖擊危險的工作面巷道采用超前支架能夠起到防沖作用。因此，推廣應用超前支架成為大采高綜采面安全高效發展的必然要求。

廣泛采用大采高綜采技術的神東集團大范圍推廣應用超前支架，取得了較好的使用效果，其他集團公司也廣泛采用了超前支架進行支護，大采高綜采面普遍向著采用超前液壓支架進行超前支護的方向發展，全國各大礦區通過采用巷道超前液壓支架，基本解決了地質條件較好工作面巷道的超前支護問題。

隨著礦井開采深度的增加，出現了許多受高應力影響的巷道，由于地壓大、巷道變形嚴重等問題，在推廣超前支架應用過程中有些問題有待進一步研究解決。

本文以淮南謝橋煤礦深部大采高1242（3）綜采工作面為例，闡述工作面斜頂巷道超前支護支架的合理架型、支護強度和支護長度等，通過現場實際應用分析了超前支護的合理性。

1　工作面概況

淮南礦業集團謝橋煤礦位于阜陽市潁上縣，西鄰國投新集劉莊煤礦。謝橋礦1242（3）回采13-1煤層，東起西翼C組采區下山，西至F5-1邊界斷層，北鄰1232（3）軌道巷，南至13-1煤層-658 m底板等高線。地面標高+19.1～+26.8 m，回風巷煤層底板標高為-524.3～-559.4 m，軌道巷煤層底板標高為-619.3～-657.4 m，工作面走向長2923.8 m，傾斜長362.9 m。煤層厚度平均5.1 m，煤層傾角平均15°。直接頂為泥巖、砂質泥巖、13-2煤層及煤線復合頂板，厚度0～12.2 m，平均厚度8.4 m，基本頂為細砂巖，厚度1.8～11.5 m，平均厚度3.8 m，局部區域直接覆蓋在13-1煤層之上。工作面采用ZZ13000/28/65D型液壓支架，配套JOY 7LS6C型采煤機、SGZ1000/3×1000型刮板輸送機、SZZ1200/700型轉載機、PCM375型破碎機、DSJ120/200/4×355型帶式輸送機。

工作面軌道巷與回風巷平行布置，回風巷階段煤柱平距為8.1 m，回風巷沿煤層頂板施工，采用錨聯網支護，巷道斷面為直墻斜頂梯形，斷面尺寸5.7 m×3.2 m（凈寬×中高）。回風巷頂部采用4.8 m長的M5鋼帶與1.2 m長的M5鋼帶搭接、配合7根?22 mm×2500 mm錨桿進行支護，錨桿間排距900 mm×900 mm。巷道頂板錨索按555形式布置，每排5根錨索，錨索規格?22 mm× 6200 mm，每排錨索配錨索梁，錨索間排距1100 mm×900 mm。

軌道巷為機軌合一，帶式輸送機靠近上幫布置，軌道靠近下幫布置。軌道巷沿煤層頂板施工，采用錨聯網支護，巷道斷面形狀、尺寸和錨桿支護同回風巷。頂板錨索按333型式布置，壓力顯現明顯地段按444、3535的方式布置，錨索規格?22 mm×6200 mm，配合錨索梁，錨索間排距1200（1100）mm×900 mm。

2　超前支護型式分析

大采高綜采工作面采用超前支架優勢明顯，從其他礦區的使用經驗看，超前支架的應用是高產高效大采高綜采面的標準配置，取得了較好的效果。1242（3）大采高綜采工作面超前支護采用超前支架。超前支架的形式多樣，較為典型的有左右片邁步式自移超前支架（多用于運輸巷騎轉載機布置）、四柱支撐掩護式超前支架（前后兩架互相推拉移架）。在地質條件好的礦井，超前巷道頂板平整，應用較多的為左右片邁步式自移超前支架。

由于謝橋礦1242（3）綜采工作面軌道巷與回風巷均為斜頂，若采用左右片邁步式自移超前支架，則由于頂板有一定的傾角，接頂不實，會導致超前支架的支護效率降低，且對頂梁結構產生不利影響。

從1242（3）工作面軌道巷與回風巷斷面形狀以及工作面的布置看，帶式輸送機靠近工作面，六柱式超前支架能夠將傾斜頂板全部進行有效掩護。又由于工作面軌道巷設備多，配套尺寸要求高，而回風巷沿空布置，回風巷變形量較大，一般可達1 m以上，充分考慮這些因素后認為采用能夠適應斜頂的六柱式超前支架合理可行。因此，工作面軌道巷與回風巷選用ZQL2×4000/27/56型超前支架，三架一組，軌道巷與回風巷各3組。超前支架結構如圖1所示。

圖1　超前支架結構示意圖

超前支架主要參數:支架高度2.7～5.6 m，支架寬度3.99～6.66 m，支架中心距5.46 m，支架工作阻力8000 k N，支護強度0.4 MPa，推移行程0.9 m，伸縮梁行程0.4 m，操作方式為本架控制。超前支架在工作面的布置示意圖見圖2，軌道巷超前支架支護斷面圖見圖3。

3　超前支護合理支護強度

合理支護強度的確定是超前液壓支架選型及成功應用的關鍵。合理支護強度的確定有多種理論和方法。本文考慮巷道頂板垮落的極端條件和錨桿、錨索的殘余支護強度，通過理論計算選取合理的超前支架支護強度。

工作面的超前支護強度由兩部分支護構成:一是錨桿、錨索的支護，二是超前支架的支護。

圖2　超前支架在工作面的布置示意圖

圖3　軌道巷超前支架支護斷面圖

按照巷道頂板上方直至基本頂發生垮落的極端情況進行分析，超前支護的支護強度計算:

式中:P——巷道所需支護強度，MPa；

q冒——直接頂巖層自重應力，MPa；

Kd——巷道動載系數，取1.5；

γ——體積力，取25 k N/m3，

h——覆巖破壞高度，取7.9 m。

α——煤層傾角，取15°。

將相關數據代入式（1）和式（2）計算得巷道所需支護強度為0.29 MPa。

軌道巷頂板每排布置有7根頂錨桿，排距0.9 m，5根錨索，排距0.9 m。受采動影響后，錨桿支護的支護強度進一步降低，有效系數取0.5，錨桿的拉拔力設計為125 k N，則每根錨桿殘余支護力為62.5 k N，7根錨桿的殘余支護力為437.5 k N；錨索張拉力設計為250 k N，有效系數取0.8，則每根錨索殘余支護力200 k N，5根錨索的殘余支護力為1000 k N；7根錨桿和5根錨索支護面積為5.13 m2（巷道寬度5.7 m、長度0.9 m），則錨桿錨索提供殘余支護強度（殘余支護力/支護面積）為0.28 MPa。

前述計算得到巷道所需支護強度為0.29 MPa，錨桿錨索殘余支護強度提供0.28 MPa，則需超前支架提供的支護強度至少為0.01 MPa。

另一種計算方法是有學者認為超前支護強度應按采面中部支護阻力的60%為原則選取，工作面合理支護強度約為1.1 MPa，則超前支護強度0.66 MPa，錨桿錨索殘余支護強度提供0.28 MPa，需超前支架提供支護強度為0.38 MPa。

ZQL2×4000/27/56型六柱超前支架支護強度為0.4 MPa，滿足要求。

4　合理超前支護范圍

對于超前支護距離的確定，除了嚴格按照 《煤礦安全規程》要求的不小于20 m執行外，對于礦壓顯現強烈的煤層或特殊開采條件的煤層可以采用理論分析和現場實測等方法確定，主要依據超前支承壓力分布和巷道變形情況。大采高綜采工作面的采動影響范圍大，對超前支護提出了新的要求。多個煤礦的回采實踐表明，大采高綜采工作面采動影響范圍一般大于20 m，有些甚至達到60 m以上，由于超前巷道一般采用錨網支護，具備一定的承載能力，因此，超前支架支護段一般滿足靠近工作面影響較為強烈的區域的支護要求即可。對于無回采經驗的工作面，多采用數值模擬分析超前段的影響范圍。

謝橋礦及其他類似工作面的回采經驗表明，超前巷道礦壓顯現劇烈的范圍多在工作面前方20 m范圍內，超前巷道加強支護一般取30 m即可滿足回采要求。

綜上分析，確定超前支架支護范圍按不少于30 m考慮。前述采用的ZQL2×4000/27/56型六柱式超前支架，采用三架一組，設計長度每組18.817 m，則需要兩組即可滿足要求。實際軌道巷與回風巷采用各3組，超前支護范圍滿足要求。

5　超前支架應用效果

謝橋煤礦是首次采用該種型式的超前支架，也是該型支架首次在淮南地區應用。采用該種超前支架，工作面超前維護每班只需要2人即可完成超前支架前移等工作，而原先采用打雙排單體液壓支柱（排距1 m、柱間距1 m）進行維護，至少需要6人，極大地節省了人力成本；同時，移架速度快，能夠滿足工作面的推進要求。

監測超前支架立柱受力情況表明，軌道巷與回風巷的超前支架均表現出了低初撐力、高工作阻力的特點，礦壓顯現明顯處位于工作面超前13.4 m范圍內。

超前支承壓力的實測表明，回風巷支承壓力影響范圍可達53 m，軌道巷支承壓力影響范圍可達78 m，峰值位置在工作面前方6 m，影響明顯段位于工作面前方36 m。

巷道變形情況顯示軌道巷總體變形量不大，頂底及兩幫移近量均在350 mm以內。由軌道巷超前支架支護斷面設備配套圖得知（見圖3），軌道巷超前支架與轉載機之間的自由空間為575 mm，自由空間小，對工作面控制刮板輸送機上竄下滑的要求高。工作面回風巷為沿空留巷，同時受到工作面推進速度緩慢、停產檢修時間過長等多方面影響，超前支護段頂底及兩幫移近量均在500 mm以上，實際使用過程中發生回風巷超前支架被擠住，回風巷超前支架拉移困難。

為避免再次發生沿空回風巷超前液壓支架被擠死，制定了預防方案，合理控制工作面的推進速度，以減少超前支撐壓力影響明顯段的變形量；改變超前支架的推移方式，將采用的升降順序邁步前移改變為少量降柱邁步前移，降低超前支架反復支撐對沿空巷道頂板原有支護系統的破壞；工作面停產期間需要適當前移超前支架；若以上均不起作用，采取適當的刷擴煤幫措施。

6　結論

（1）對于深部大采高斜頂異形斷面巷道采用能夠適應斜頂特點的超前支架進行超前支護是可行的。

（2）從現場應用來看，超前支架的型式、支護強度、超前支護距離等參數選擇合理。

（3）在變形較大的沿空巷道中采用超前支架支護必須對配套尺寸及可能的巷道變形進行充分估計，否則容易出現擠死支架現象，極大降低超前支護的應用優勢。

［1］ 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:煤炭工業出版社，2008

［2］ 張步勤，謝德瑜，趙學義等.單體支柱機械移柱裝置的研究與應用［J］.中國煤炭，2013（11）

［3］ 潘永健，衛進.工作面巷道超前支護設備的設計［J］.中國煤炭，2009（3）

［4］ 張德生，牛艷奇，孟峰.綜采工作面超前支護技術現狀及發展［J］.礦山機械，2014（8）

［5］ 陳萬勝.大采高綜采面運輸巷超前支護技術 ［J］.陜西煤炭，2015（1）

［6］ 翟桂武.大采高綜采面順槽超前支護支架及其應用［J］.煤炭工程，2008（7）

［7］ 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）

［8］ 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制［M］.北京:煤炭工業出版社，1991

［9］ 尹建生，于強.回采巷道超前支護參數的合理確定［J］.礦山壓力與頂板管理，1988（2）

［10］ 劉金海，姜福興，孫廣京等.深井綜放面沿空順槽超前液壓支架選型研究 ［J］.巖石力學與工程學報，2012（11）

［11］ 陸士良，湯雷.大變形巷道錨桿和框式支架工作阻力的研究［J］.煤炭學報，1998（8）

（責任編輯 張毅玲）

Research on forepoling protection technology in roadways of deep fully mechanized mining face with large mining height

Tang Yongzhi1，Xu Gang2，Li Wanfeng1，Zhang Xueliang2
（1.Huainan Mining Industry（Group）Co.，Ltd.，Huainan，Anhui 232001，China；2.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Taking the No.1242（3）deep fully mechanized mining face with large mining height in Xieqiao Coal Mine of Huainan Mining Group for example，the type and supporting intensity parameters and supporting length of forepoling were elaborated，and the ZQL2×4000/ 27/56 type forepoling was adopted.Based on the site actual conditions，the rationality of forepoling application was analyzed.

roadway of mining face，roadway with inclined roof，forepoling，supporting intensity，supporting length

TD355

A

唐永志（1962-），男，安徽淮南人，教授級高工，碩士，現任淮南礦業（集團）有限責任公司總工程師，從事礦山建設及礦井生產技術管理工作。