極軟厚煤層工作面超前支架應用技術

蔡小伍，趙健健，葉平理

(中煤資源發展集團 河南分公司技術部，河南 鄭州 450018)

在煤礦生產過程中，隨著埋深的增加，巷道壓力變化較大，尤其是在孤島工作面的回采過程中，由于工作面三側均為采空區，工作面壓力顯現較為明顯，尤其是工作面超前支護段，受到礦壓影響較大，變形較為嚴重，影響通風斷面；在嚴重區域可能需要停止生產進行超前段的修復，維護修復不僅投入巨大的人力、物力，也對煤礦安全生產帶來極大的影響。尤其是豫西地區大部分煤礦企業超前支護大多采用單體柱支護，在孤島工作面回采過程中支護強度遠遠不能滿足現場使用，因此對于孤島工作面超前支護段的支護工藝改進，也成為擺在煤礦安全生產方面的一道難題[1-3]。

此次通過多次的外出考察以及與廠家技術人員的溝通，在孤島工作面回采過程中試用超前支架支護技術，解決現場存在的問題。尤其是對于采掘接替過程中，采區順序回采過程中，布置綜采設備的運輸巷受到礦壓影響相對較大，并且運輸巷布置超前支架受到現場空間的影響極為嚴重，對于現場超前支架的應用是一種極大的挑戰[4-7]。為做好孤島工作面的超前支護，防止因支護問題影響工作面的正常回采，經過現場實踐與探索，在孤島工作面的回風巷、運輸巷超前段采取超前支架支護方式，加強超前支護，提高了支護強度，增加了安全系數。

1 21011工作面概況

1.1 21011工作面位置

21011工作面相對應地面位置大部分為箕啊村南部耕地，有零星建筑物存在；工作面位于21采區上部第1區段，西至工業廣場保護煤柱，東至白沙塔保護煤柱，上部為11151已采工作面，工作面西段下方為原21031工作面采空區，相鄰南部暫未布置工作面；東段走向長度700 m，工作面傾斜長度272 m，西段走向長度574.15 m，工作面傾斜長度131 m；工作面上部為11151工作面采空區，同時工作面西段下部為原21031工作面采空區，西段為大孤島工作面。21011工作面平面布置如圖1所示。

圖1 21011工作面平面位置Fig.1 Plane position of 21011 working face

1.2 工作面地質情況

21011工作面偽頂為砂質泥巖，厚度一般為0～1 m。直接底為泥巖或砂質泥巖，一般厚度為0.6～1.7 m。砂質泥巖抗壓強度分布在17.3～30.6 MPa，一般小于30 MPa，為軟質巖石，巖石穩定性差。細砂巖塑性變形時割線模量為0.52×105。抗壓強度分布在43.8～62.1 MPa，為中等硬巖石，巖層穩定性中等。直接頂主要為大占砂巖(B4)，煤礦范圍內穩定，厚度約12.0 m，巖石堅硬，抗壓強度20.7～121.0 MPa，抗拉強度1.2～4.3 MPa，軟化系數為0.43～0.75，穩定性良好。21011工作面回風巷西部直接頂為砂質泥巖和細砂巖夾泥巖，薄層理。東部直接頂為中粗砂巖。砂巖頂板厚度自西向東逐漸變厚；直接底為砂質泥巖，基本底為粉砂巖。21011工作面中巷西部直接頂為中細砂巖，東部接近切眼處有砂質泥巖偽頂；基本底為粉砂巖。21011工作面運輸巷西部直接頂為中細砂巖，東部接近切眼有偽頂，薄層理，基本頂為中砂巖；直接底為泥巖，基本底為粉砂巖。21011工作面切眼直接頂為中砂巖，基本頂為中粗砂巖；直接底為砂質泥巖，基本底為粉砂巖。

1.3 超前支護

21011工作面巷道斷面設計為梯形，巷道設計梁長4.4 m，上幫棚腿長4.0 m(使用2根長3.5 m的36U型鋼搭接組成，搭接長度3 m，搭接后棚腿長4 m)，下幫棚腿長2.9 m，上、下幫外扎角分別為上幫66°、下幫71°，中高3 m，棚距700 mm，巷道斷面凈面積為15.83 m2，沿煤層頂板掘進，采用12號礦用工字鋼對棚+錨索+錨桿+錨網聯合支護(圖2)。

圖2 21011工作面支護斷面Fig.2 Supporting section of 21011 working face

1.4 工作面采煤工藝

因21011工作面地質條件相對簡單，在單斜構造上沿走向發育有小的起伏變化，工作面平均煤厚4.15 m，所以采煤工藝選擇為綜合機械化采煤，傾向長臂后退式采煤方法。工作面選用ZY10000/28/62型支架，采用MGTY650/1640-GWD型采煤機；生產組織為“三八”工作制，工作面回采西段作業方式采取“一準二”(即一班采取注水措施、檢修及準備，二班割煤)，三班為1個防突循環，每刀進尺為0.8 m，每循環4刀，每個循環允許推進度為3.5 m。

2 超前支架支護技術原理

ZQL2×5000/21/40型巷道超前支護液壓支架參數：一組兩架(中間架具有互換性)；支撐高度為2.1～4.0 m；中心距為3.1 m(最大)；移架步距為1.7 m；支護強度為1.17 MPa(平均)；對地比壓為2.2 MPa(單架)；工作阻力為40.6 MPa；初撐力為31.5 MPa。

2.1 超前支護支架的選型、驗算

工作面選用ZQL2×5000/21/40型巷道超前支護液壓支架，支架初撐力為2×3 880 kN，工作阻力為2×5 000 kN，支護強度1.17 MPa，底座比壓2.2 MPa。

估算巷道每組超前支架的支護強度P，超前支架所受頂板壓力Q，底座比壓W。

(1)采用經驗公式計算[8-11]。

P=9.81HRK

(1)

式中，P為超前支架的支護強度；H為采高；K為工作面支柱支護的上覆巖層厚度與采高之比，一般取4～8，開采煤層較薄、頂板條件較好、周期來壓不明顯時，選用低倍數，反之用高倍數，該工作面取8；R為頂板巖石密度。

(2)超前支架所受頂板壓力。

Q=P×S

(2)

式中，P為超前支架的支護強度；S為超前支架頂梁端面積[12-13]。

(3)底座比壓。

W=(Q+Q支)/S底

(3)

將數據代入式(1)—式(3)計算得出，Q=2 485 kN<5 000 kN；P=0.814 MPa<1.17 MPa；W=0.782 MPa<2.2 MPa。

2.2 超前單體支柱的初撐力及工作阻力

根據現在梁北礦煤礦巷道超前的支護情況，采用直徑110 mm的單體支柱，配合Π型鋼梁支護，棚距為700 mm，一梁兩柱，臨近工作面5 m內為一梁四柱，所以50 m范圍內單體數量約為160根。

(1)在50 m范圍內單體支柱的主動支撐力為14.40 MN，在50 m范圍內超前支架的主動支撐力為27.16 MN。ZQL2×5000/21/40型液壓支架初撐力方面：超前支架/單體支柱=1.89倍。

(2)在50 m范圍內單體支柱的工作阻力為40 MN，在50 m范圍內超前支架的工作阻力為70 MN。ZQL2×5000/21/40型液壓支架工作阻力方面：超前支架/單體支柱=1.75倍。超前支架支護滿足工作面兩巷支護要求，與原有單體柱超前支護，支護強度提高1.75倍。

3 超前支架支護技術的方案

3.1 聯合支護

21011中巷超前支護采用超前液壓支架配合單體液壓支柱+鉸接梁+柱鞋支護，沿巷道走向各布置兩排，上、下排長度各70 m，包括超前支架(雙排ZQL2×5 000/21/40超前液壓支架4組，共計8架30 m)。21011中巷超前支架布置平、斷面如圖3所示。

圖3 21011中巷超前支架布置平面、斷面示意Fig.3 Layout plan and section of advanced support in 21011 middle roadway

3.2 21011中巷超前支架段刷擴

刷擴范圍為21011中巷煤壁以外35～40 m(超前支架以外刷擴不少于5 m)；保證每次支架拉移的距離；刷擴后對刷擴區域進行套棚支護，棚距700 mm，梁長2.0 m，新梁與巷道老梁搭接1 000 mm，刷擴寬度1.0 m，頂梁均勻布置3根撐桿，下幫腿采用2.7 m長工字鋼棚腿；刷擴時使用單體柱作為上側臨時柱腿，待錨索梁加固結束后拆除上側臨時柱腿；刷擴處頂板打設一道錨索托梁，錨索梁距離老梁下幫梁頭600 mm，錨索間、排距均為1.4 m，錨索梁長2.0 m，錨索采用φ21.6 mm×8 000 mm鋼絞線。

3.3 21011回風巷超前支護

采用雙排ZQL2×5 000/21/40超前液壓支架，超前支護長度53 m，共7組14架，上排除超前液壓支架外再補打50根、下排再補打30根液壓單體柱與鉸接梁聯合支護。21011回風巷超前支護平、斷面如圖4所示。

4 超前支架使用效果分析

4.1 超前支架使用前后效果對比

(1)未使用超前支架。11131工作面未使用超前支架，工作面兩巷超前段上、下幫棚腿變形彎曲問題，尤其是超前支護段，上幫棚腿彎曲變形脫口，幫部外鼓，影響超前支護打設、巷道行人空間和膠帶運行；11131工作面兩巷局部區域頂板出現受壓下沉及木點柱損壞，由于巷道壓力大初期支護的木點柱已經受壓損壞，起不到應有支護作用，同時頂板破碎下沉，網兜較多。

(2)使用超前支架。21011工作面西段屬于孤島工作面，巷道壓力大，回風巷、中巷存在壓力變形量大的問題，尤其是回風巷、中巷超前支護段距煤壁30～50 m，上、下幫棚腿變形嚴重，外鼓變形。21011工作面使用超前支架后，工作面回風巷、中巷超前支護段支護狀況得到極大改善。21011工作面與11131工作面使用超前支架前后效果對比見表1。

表1 工作面使用超前支架前后效果對比Tab.1 Effect comparison before and after using advanced support in working face

4.2 超前支架對巷道變形量的影響

工作面兩巷變形量如圖5所示。從巷道表面位移“十字”觀測曲線可以看出，超前支架使用后對巷道變形影響明顯減弱，頂底板移近量由原來的1 100 mm降低至500 mm，兩幫移近量由原來的2 000 mm降低至800 mm，巷道斷面最大收縮率減少50%左右，巷道變形量得到有效控制。

圖5 工作面兩巷變形量Fig.5 Deformation of two roadways in working face

4.3 技術效果分析

超前支架支護滿足工作面兩巷支護要求，與原有單體柱超前支護，支護強度提高1.75倍。超前支架使用后降低了巷道受壓變形量，巷道斷面收縮率減少50%左右；減少了巷道的修復量，降低了職工勞動強度；21011回風巷的巷道修復維護人員(14人)較11131工作面的巷道修復人員(34人)減少20人，解決了孤島工作面巷道支護的難題；超前支架拉架支護過程中較快，每次拉架支護在1 h內完成，操作人員4人/班；超前單體柱支護打單體柱鉸接梁需要6.0 h，施工人員6人/班，減少了人員投入，并且勞動效率提高12倍，人員節約2人/班；超前支架下幫煤柱刷擴，增大巷道斷面，增加了檢修、行人空間；同時有利于下幫煤柱的回收，實現無煤柱回采；超前支架的使用，工作面兩巷主要進行落底即可滿足回采的要求；同時超前支架與工作面上、下端頭支架配合使用，解決了工作面兩端頭支護的支護問題，不再使用托棚單體支護，提高了回采效率。

4.4 經濟效益及成本分析

通過計算可以得出，11131工作面巷道維修成本為1 168.75萬元，21011工作面安裝超前支架成本為1 052.4萬元，相比節省116.35萬元。21011工作面超前支架安裝初期投入成本較大，提高回采安全系數，節約了人工，提高勞動工效。

5 結語

孤島工作面超前支架使用技術的的成功，為豫西孤島采煤工作面支護工藝的創新實施奠定了基礎，進一步改善了礦井安全狀況，降低了生產成本，而且較大幅度地提高了礦井資源采出率，為礦井的可持續發展奠定了基礎。同時，為其他礦井在類似條件下實施超前支護技術積累了經驗。