莒山礦綜采工作面超前支護研究與應用

李 璐

(山西蘭花集團莒山煤礦有限公司,山西晉城 048027)

回采巷道是綜采工作面重要的通風、運輸通道,其空間的有效維護對工作面安全生產至關重要[1-2]。工作面附近巷道超前區域圍巖應力復雜,特別是對于回風順槽而言,既受工作面超前集中應力影響又受采空區側向應力影響,傳統的單體立柱支護方式很難對巷道進行有效支護[3-4]。本文以莒山礦f3101綜采面回風順槽為工程背景,對超前支護參數進行了分析,超前支架進行了選型研究,保證了工作面回風順槽作業空間安全。

1 工程概況

f3101工作面所采的3號煤層位于山西組下部,煤層平均埋深183.1 m,煤層厚5.5 m～8.15 m,平均厚6.18 m,煤層結構簡單,含0～2層矸石。該煤層穩定可采,煤層頂板以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖為主,局部發育薄層泥巖偽頂；底板巖性為泥巖、砂質泥巖。工作面設計長度150 m,推進長度1 200 m,采用綜放工藝回采,其中采2.0 m～2.5 m,放3.5 m～5.65 m,端頭不放煤。工作面配套MG150/368-WD 型采煤機割煤,ZF4400/17/28 型液壓支架支護,前后分別配套SGB630/180型刮板輸送機運煤。

f3101工作面回風順槽設計為矩形斷面,巷道沿煤層底板掘進,掘進寬度3.2 m,凈寬3.0 m；掘進高度2.6 m,凈高2.5 m,巷道東部為區段煤柱,寬8 m,西部為本工作面實體煤,巷道采用錨網支護,支護參數見表1。

圖1 煤層地質柱狀圖

表1 幫錨桿支護參數表

2 超前支護參數分析

2.1 支護強度分析

巷道開挖后巖層原有的應力平衡狀態被打破,巷道圍巖應力重新分布,巷道圍巖物理力學性質會發生變化,根據自然平衡拱理論[5-6],巷道頂板一定范圍內巖層可成拱自穩,巷道超前支架支護阻力應為平衡拱內巖體自重：

式中：f為擾動影響后圍巖普氏硬度系數,取1.6；a1為自然平衡拱的最大跨度,可按式(2)計算。

式中：a為巷道寬度的一半,取1.6m；h為巷道高度,取2.6m；φ為煤體內摩擦角,取28°；

巷道最大圍巖壓力可按下式計算：

式中：K1為上工作面采動殘余影響系數,根據礦壓實測數據,取1.7；K2為本工作面采動影響系數,取1.8；

將各參數代入計算得q=151.19 kPa。

圖2 巷道圍巖力學模型

2.2 支護距離

《煤礦安全規程》規定,回采工作面巷道超前支護距離不低于20 m,根據以往礦壓觀測數據,f3101工作面回風順槽在工作面前方25 m 范圍內受材動影響急劇增大,在實際支護過程中,巷道超前支護范圍不小于采動影響范圍,綜合分析,巷道超前支護范圍取25 m～30 m。

3 超前支架選型

根據上述分析,結合f3101 回風順槽實際支護情況,確定使用3×ZQL2×3500/15/30 型窄型分體式超前支架組進行超前支護,支架主要技術參數如下：

支架型式：分體式；

支護范圍：27 m；

支護高度：1.5 m～3.0 m；

工作阻力：21 000 kN(P=39.6 MPa)；

初撐力：17 500 kN(P=30.0 MPa)

支護強度：0.24 MPa；

支護寬度：2.4 m～4.0 m；

控制方式：電液控制

該支架組由3 組6 架組成,雙列分體式布置于巷道兩側,移架步距為800 mm,頂梁相鄰側裝有側翻梁。每組支架相鄰兩架之間,頂梁底座之間連接有防倒調偏油缸,對應底座間連接有雙排推移油缸,互為支撐實現自移。支架采用窄型四連桿機構,設計有窄底座、窄連桿及掩護梁,適應回風順槽空間運輸、安裝等要求,有效降低了風阻面積,各支架單元采用鉸接式頂梁、前、后梁、以及挑梁結構,挑梁可旋轉大于90°,提高了對巷道頂板支護的適應性。

圖3 3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架組

4 應用效果

3×ZQL2×3500/15/30 型窄型分體式超前支架組已用于f3101 回風順槽,目前工作面已經推進300 余米,圖3 為超前支架使用期間立柱實時監測曲線,由圖可知使用期間支架立柱應力基本保持在20 MPa～35 MPa之間,監測期間最大立柱應力為37.2 MPa,小于安全閥開啟壓力,表明支架工作阻力可以滿足回風順槽超前支護要求。此外,在實際應用過程中巷道頂板最大下沉量為92 mm,兩幫最大移近量為83 mm,整個使用期間無壓架現象。此外,在整個使用期間支架在反復承載過程中巷道頂板巖體基本保持完整穩定狀態,頂板錨桿及錨索未受破壞。表明3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架可有效維護回采巷道圍巖穩定,保障了工作面回風順槽作業空間的安全。

圖4 超前支架立柱應力實時監測曲線

5 結語

本文結合莒山礦3 號煤層f3101 工作面回風順槽實際生產地質條件,通過理論分析確定了巷道超前支護參數,結合以往經驗給出了超前支護距離,確定使用3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架組進行超前支護,并進行了工程實踐,具有良好的技術經濟效益。