工作面順槽(回風)巷道超前支護工藝的現狀及展望*

韋建龍

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

我國作為煤炭儲量大國，煤炭資源總儲備量達5.97萬億t。然而，我國煤炭埋深在1 000 m以下的賦存量占據50%左右。中國工程院院士袁亮指出：“我國采深超千米的礦井有47座，現有煤礦采深正以平均每年10～25 m的速度增加”。隨著開采深度及強度的持續增加,巷道支護難度大幅提高。因此，增強機電一體化和自動化技術，設計研發高性能的開采技術裝備，實現礦井生產過程自動化、集約化是必然趨勢[1-2]。

1 超前支護的必要性

《煤礦安全規程》規定：采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內必須加強支護，且加強支護巷道長度不得小于20 m[3]。超前支護不僅能有效防止巷道超前支護段冒頂事故的發生,提高人員作業的安全性,還能加快工作面推進速度,實現工作面的安全高效生產[4]。隨著煤礦綜采工作面的超強度及大采深發展，礦井開采強度大，推進速度快，工作面超前礦壓顯現劇烈，對超前支護支架的移動速度、支護方式及支護強度提出了更高的要求[5]。

2 我國超前支護工藝形式及概況

2.1 垛木架支護工藝

我國煤炭開采巷道超前支護工藝研究起步晚。早期國內煤礦支護方式主要以垛木架的形式進行簡單臨時支護，垛木架完全憑借人工進行搭建。一方面，垛木體積大、質量重，工人勞動強度大；另一方面，垛木架支護屬于被動支護，支護強度低且支護性能差。因此，垛木支護工藝對頂板沉降沒有預支作用，頂板出現一定的沉降后才能與木垛接觸起到支護作用。另外，搭建拆卸過程危險程度高，且隨著工作面的推進，垛木支護架不進行回收利用，造成資源浪費。由此可見，垛木架支護工藝存在安全性和經濟性較差的特點。目前，垛木架僅作為綜采面推進過程中端頭臨時掩護支架，不用作其他支護。

2.2 金屬棚支護工藝

隨著煤礦對超前支護工藝性能要求的提高，具備大支護強度和讓壓特性的金屬棚支護工藝逐步發展。金屬棚支護裝備由3節相互獨立的金屬鋼梁通過夾板裝置連接緊固。由于可以根據巷道截面形狀設計與巷道尺寸切合的金屬鋼梁，所以金屬棚支護工藝具有很好的巷道適應性，如圖1所示。

圖1 金屬棚超前支護工藝布置

盡管金屬棚支護具有支撐力大、巷道適應性強等優點，但是金屬棚支護仍屬于被動支護，金屬鋼梁無法給頂板提供預支力。其支護原理與垛木架支護工藝的相同，無法對頂板的沉降提供預支作用。在金屬梁回撤過程中，部分垮塌的頂板經常出現大面積沉降、垮落現象，造成支架回撤安全風險大、難度高的局面。目前大多數煤礦已放棄使用金屬棚支護工藝，改用其他較先進的支護工藝。

2.3 錨噴、錨網支護工藝

為改善巷道支護過程中頂板支撐受力和預防頂板前期沉降，錨噴、錨網等澆筑式支護工藝開創了煤礦支護的新局面。無論是錨噴支護還是錨網支護，都是先在巷道表面用混凝土進行噴漿處理，再用錨桿將頂板、側幫與混凝土噴漿層進行連接緊固。利用錨索預緊力為頂板巖層提供預支力，抵抗頂板巖層發生沉降，混凝土噴漿層起到定型作用[6]，一定程度上防止頂板發生形變，能有效降低頂板發生沉降、垮塌的概率，如圖2所示。

圖2 錨噴、錨網支護工藝

盡管錨噴、錨網支護工藝在一定程度上改善了巷道頂板發生沉降、垮塌的現象，但錨桿(索)的安裝固定、鋪設金屬網等工作均需要大量人工參與完成，如圖3所示。工作量大、人員勞動強度高、安裝過程危險等缺點制約著該工藝的推廣使用。另外，錨桿(索)抗變形能力差，承載能力弱，頂板來壓較大時易發生嚴重變形，引起巷道截面變形，導致回風受阻、工作面無法推進。

圖3 錨桿、金屬網安裝過程

2.4 單體柱支護工藝

隨著我國煤礦井下超前支護工藝的發展和對國外支護工藝設備的引進借鑒，20世紀90年代末中國礦業大學成功研制了柱塞懸浮式單體支柱。由于單體柱具有體積小、支護強度高、維修方便、綜合成本低等優勢，所以單體柱支護作為一種新型支護工藝迅速發展成為我國煤礦井下超前支護的主流產品，如圖4所示。

圖4 單體柱支護

單體柱可與金屬梁配套使用，也可單獨使用，供綜采面運輸順槽巷和回風順槽巷作支護使用。將煤礦巷道頂板壓力作為單體支護性能參數的設計依據，提升單體支柱的支護性能，確保支護巷道的安全通暢。但在特殊地質條件下或臨面開采時，采用單體柱超前支護工藝存在以下問題：

1) 支護強度低。當煤層頂板壓力較大時，單體柱不能滿足支護強度要求，經常發生頂板下沉、單體柱鉆底等現象，導致支護失效。

2) 支護效率低，勞動強度大，如圖5所示。搬移單體勞動強度大，支護過程繁瑣，全靠人力完成，支護過程速度慢、效率低[7]。

圖5 單體柱人工支護

3) 安全性差。支護過程中支護人員頻繁穿行，危險性大，易造成安全事故。

2.5 超前液壓支架支護工藝

20世紀末我國煤炭開采事業進入高效快速發展的黃金時期，神華神東煤炭公司、同煤集團、兗礦集團等大型煤礦紛紛進入超強度、大采深的發展現狀。礦井開采強度大、推進速度快的綜采特點，要求超前支護必須具有更高的機械化、自動化水平。因此，新一代超前液壓支架支護工藝應運而生。該工藝采用四連桿超前支架、自移式超前支架等步進式頂梁支護液壓支架作為支護主體如圖6、圖7所示。支架可隨綜采工作面推進自行跟隨推進，實現了綜放工作面的安全高效生產。中國煤炭科工集團太原研究院做為國內煤炭開采裝備的制造先驅，已設計研發了多種超前液壓支架，如國內首套大采高四柱支撐掩護支架、國內首臺回采動壓巷道機械化超前支護液壓支架、國內第一套切頂四柱低位放頂液壓支架、國內首臺6.5 m大采高兩柱掩護液壓支架等多種系列超前支架。

圖6 整體式超前支架

圖7 分體式超前支架

超前液壓支架主體一般包括前探梁、頂梁、立柱、底座、伸縮梁、推移千斤頂6大部分。立柱作為承載主體為支架提供支撐力。采用大缸徑單級液壓缸，乳化液作為動力傳遞介質，流體特性決定了超前液壓支架具有一定的初撐力。因此，它能夠有效減緩巷道斷面發生形變，確保巷道截面的完整性，保證人員安全和設備完好。支架梁體和側護板可根據巷道斷面形狀進行調節，具有良好的接頂性能和護幫性能[8]。

盡管超前液壓支架具有一定的優越性，但在移架過程中，支架升降反復支撐頂板，導致超前支護段巷道頂板下沉快、易破碎，兩幫變形大，推進過程中經常發生大面積掉頂，極易造成傷亡事故。隨著開采深度的增加，頂板破碎程度、下沉速度和變形幅度等在礦壓作用下逐步突顯，經常出現“巷道頂板壓死超前支架”的現象。采取人工放頂、臥底等應對措施費時費力，超前支架撐不住、移不動，對生產帶來極大影響。此外，大支護面積決定支架質量大，超前支架步進式移架方式必須頻繁反復支撐頂板，造成頂板破壞性較大，容易引發頂板垮落，不利于巷道頂板圍巖的維護[9]。文獻[10]中設計的ZFDC26500型超前支護支架組雖然解決了人員安全保護問題，但仍然存在反復支撐頂板，支撐過程步驟多、勞動強度大的問題，支架移動過程阻力大，增加了危險性。文獻[11]中設計的ZYDC5030型和ZFDC8000型超前支護支架運用以護為主的支護理論，雖然在支架初始安裝時降低了對頂板的反復支撐破裂，但遭遇巷道首次來壓導致頂板破壞后，其步進式支護方式仍需要對頂板進行反復支撐，造成頂板破碎。此外，超前液壓支架只適用在頂板具備中等穩定性能以上的煤礦巷道，工藝適用范圍具有一定的限制性。

3 超前支護工藝的展望

隨著我國煤炭開采事業的發展，提出了發展創建具有“本質安全礦山、高效礦山、清潔礦山”特征的新型智慧礦山。“安全、高效、綠色”開采是未來煤炭開采的發展理念和必然趨勢。設計制造高端機械化、智能化、信息化的現代開采裝備是實現智慧礦山的必要條件和唯一途徑。由于現有超前液壓支架與傳統的超前支護方式都有其局限性，所以具有安全可靠性好、機械自動化程度高的新型煤礦超前支護工藝成為超前支護的發展方向。

3.1 可搬運單元式超前支架工藝

對于采動影響范圍廣、巷道壓力大、頂板易破碎的工作面巷道，設計研發可搬運單元式超前支護工藝，用單元式支架代替單體液壓支柱、超前液壓支架支護方式。在支護強度不變的情況下，每一個單元式超前支架通過專用搬運車或絞車拉移都可實現獨立移架，避免了對巷道頂板的反復支撐。通過可搬運單元式超前支架和端頭支架聯合支護，實現巷道超前機械化支護。

3.2 無人智能化超前支護工藝

對于巷道頂板條件差、易發生垮塌的工作面巷道，借助井下Wi-Fi網絡、4G數據傳輸系統、紅外掃描、激光定位等現代化網絡技術，設計研發集自主導向、自行走、定位功能于一體的智能化液壓支架，配合地面控制中心，實現井下無人化超前支護作業，從根本上解決人員安全性問題，確保煤礦生產的安全運行。

4 結語

本文通過對國內煤礦現有多種綜采工作面巷道超前支護工藝的支護特性進行分析討論，指出現有超前支護勞動強度大、支架移動阻力大、移架速度慢、頻繁反復支撐對頂板破壞性大等問題已成為我國煤礦超前支護工藝亟需解決的難題。隨著“安全、高效、綠色”開采發展理念的提出，設計研發可搬運單元式超前支架、無人智能化超前支護等現代化支護裝備勢在必行。高機械化、智能化、信息化的現代開采裝備是實現高產高效、安全清潔型智慧礦山的必要條件和唯一途徑。