復(fù)合頂板薄及中厚煤層智能超前支護系統(tǒng) 研制及應(yīng)用

高喜才，王 琪，范 凱，肖前昌，胡 彬，王燦華，黎 亮

1. 西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638020；3. 四川華鎣山廣能( 集團 )有限責(zé)任公司，四川 廣安 638027；4. 四川華鎣山廣能集團嘉華機械有限責(zé)任公司，四川 廣安 638600 )

我國許多礦區(qū)煤層頂板屬于復(fù)合頂板，由于地質(zhì)構(gòu)造作用，煤巷復(fù)合頂板巖體結(jié)構(gòu)特征常表現(xiàn)為層狀結(jié)構(gòu)形式[1]，具有易離層、易下沉、易破壞的特點[2]，對巷道支護尤其是超前支護提出了更高的要求，復(fù)合頂板巷道穩(wěn)定性倍受專家和學(xué)者關(guān)注[3]。針對復(fù)合頂板巷道變形破壞機理和支護方案，楊 峰[4]等研究發(fā)現(xiàn)錨桿主動支護作用較差，各巖層節(jié)理裂隙發(fā)育是導(dǎo)致復(fù)合頂板變形破壞的主要原因；余偉健[5]等研究發(fā)現(xiàn)錨索有效錨固長度未深入到承載強度較高的巖層會造成復(fù)合頂板整體變形，因而提出“預(yù)應(yīng)力大剛度桁架錨索梁”控制技術(shù)；趙增輝[6]等建立弱膠結(jié)軟巖地層布巷方式的數(shù)值模型，分析了其變形機理，發(fā)現(xiàn)頂板、兩幫及底板均呈現(xiàn)非協(xié)同性變形規(guī)律；郝登云[7]等基于層狀頂板離層特征，全面分析了不同頂板巖層賦存條件下的巷道變形與離層，得到各類巷道頂板離層的臨界值；孟慶彬[8]等針對深部軟弱破碎復(fù)合頂板矩形斷面特點，基于錨桿和錨索支護理論，提出了梁－拱錨固承載結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗驗證了該方案的有效性；XIONG Xianyu[9]等建立復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)模型，綜合分析了復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與巖層參數(shù)之間的關(guān)系，提出了其穩(wěn)定性綜合影響系數(shù)表達式并將圍巖分為3個等級；張俊文[10]等提出了“預(yù)應(yīng)力錨桿＋錨索承載結(jié)構(gòu)，配合原生裂隙區(qū)域注漿加固”的支護方案，有效地控制了厚泥巖復(fù)合頂板變形與破壞。

從復(fù)合頂板圍巖穩(wěn)定性出發(fā)結(jié)合超前支架順利推移是保證工作面快速推進的關(guān)鍵[11-12]。目前超前支護由傳統(tǒng)單體液壓支柱配合鉸接頂梁發(fā)展到以分體式邁步自移超前支架為主的支護方式[13-14]，張建東[15]通過改進和優(yōu)化自移式超前支架設(shè)計參數(shù)，滿足了巷道頂板管理的要求；李彬彬[16]介紹了邁步自移式超前液壓支架的設(shè)計思想、原理、結(jié)構(gòu)、技術(shù)特征以及使用效果；李明忠[17]等研究確定了8.2 m工作面雙列多節(jié)自移式超前支架架型，為超大采高工作面超前支護技術(shù)提供了示范和參考；曹 連民[18]等基于沿空巷道圍巖關(guān)系對大采高超前支架參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，通過礦壓檢測驗證支架穩(wěn)定性；李飛[19]設(shè)計了一種抗沖擊超前液壓支架，有效解決了巷道底臌、幫臌現(xiàn)象，降低了安全事故 發(fā)生率。分體式邁步自移超前支架解決了傳統(tǒng)超前支護無法適應(yīng)強沖擊以及大斷面超前巷道支護的難題，取得了較好的應(yīng)用效果，但在煤層較薄且頂?shù)装鍡l件較差的工作面應(yīng)用時仍存在其局限性。

針對龍灘煤礦復(fù)合頂板薄及中厚煤層超前支護存在的問題，提出了超前支護系統(tǒng)設(shè)計原則，研發(fā)了一種適用于智能化綜采工作面的輕型橫向自移式超前液壓支護系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用后有效減少了復(fù)合頂板的破碎，合理的支架結(jié)構(gòu)和布置方式使移架更加順利，減輕了勞動強度，保障了智能化綜采工作面的安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

龍灘煤礦3124S工作面位于該礦312采區(qū)，煤層厚度0.70～2.57 m，平均厚度1.5 m，屬薄及中厚煤層，煤層傾角3°～7°，回采巷道頂板為復(fù)合破碎頂板，淺部1.5 m范圍內(nèi)含有程度不均的離層破碎現(xiàn)象，且?guī)r層組合變化大，頂板2～5 m深處存在厚度不一的堅硬巖層，該堅硬巖層為致密性較好的砂質(zhì)泥巖和砂巖，分布無明顯規(guī)律，呈相互交錯的特征，沿空留巷圍巖變形量大，頂板復(fù)合特點顯著，巷道頂板鉆孔柱狀圖如圖1所示，直接底為泥巖，平均厚度3.71 m，底板較軟。

圖1 巷道頂板鉆孔柱狀圖 Fig. 1 Roof drilling histogram

工作面運輸巷為梯形斷面，凈寬4.6 m，凈高2.5 m，超前支護長度20 m，需在巷道內(nèi)同時布置超前支架和轉(zhuǎn)載機。傳統(tǒng)超前支架在該巷道使用存在頂板支護后破碎、布置方式不合理、推移困難以及勞動強度大等問題，嚴重影響了3124S智能化工作面的推進速度。3124S工作面運輸巷斷面如圖2所示。

圖2 3124S工作面運輸巷斷面 Fig. 2 Sectional view in the 3124S headgate

2 超前支護系統(tǒng)設(shè)計原則

針對傳統(tǒng)超前支架存在的問題，從巷道圍巖控制、超前支架快速推進的角度出發(fā)，提出以下4項超前支護系統(tǒng)設(shè)計原則。

( 1 ) 增強復(fù)合頂板適應(yīng)性

龍灘煤礦3124S工作面回采巷道頂板為復(fù)合破碎頂板，傳統(tǒng)的超前支架頂梁為分體式，接頂面積小，支護效果差，并且往復(fù)支撐后使錨桿錨索失效，極易破壞頂板，新型支架要求超前支架頂梁為整體式，且要保證足夠的接頂面積，更好地適應(yīng)巷道頂板破碎離層條件。

( 2 ) 提高結(jié)構(gòu)布置合理性

3124S工作面煤層為薄及中厚煤層，內(nèi)部變化規(guī)律表現(xiàn)為在走向上工作面北側(cè)煤層較南側(cè)厚，在傾向上工作面東翼煤層較西翼煤層厚。目前3124S工作面巷道已成型，運輸巷尺寸4.6 m×2.5 m( 寬×高 )，梯形斷面，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。

運輸巷布置有轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機、乳化液泵站、水泵站、移動變電站等設(shè)備，根據(jù)工作面相關(guān)設(shè)備配套布置圖，轉(zhuǎn)載機的布置位置不在巷道中心，超前支架布置困難，必須根據(jù)巷道特征及設(shè)備配套選擇合理的超前支架空間布置方式。

( 3 ) 提升工作面推進速度

傳統(tǒng)的超前支架底座為窄型底座，接底面積小，比壓大。對于底板較軟的龍灘煤礦3124S工作面巷道，存在超前支架移架困難的問題，新型超前支架底座設(shè)計時應(yīng)增加底座寬度，保證足夠的接底面積，減小對底板的比壓，避免移架過程中出現(xiàn)扎底現(xiàn)象，保證工作面正常推進。

( 4 ) 完善智能化控制配套

目前煤礦井下超前支架、端頭支架常用的液壓控制系統(tǒng)由手動片閥、高壓膠管等附件組成。手動片閥安裝在本架或相鄰支架上，操作時工作人員必須到工作面手動完成作業(yè)，勞動強度大，因此在順利快速推進的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)超前支架遠程智能化控制配套具有重要意義。

3 架型設(shè)計和布置方式

為適應(yīng)龍灘煤礦3124S智能化工作面運輸巷道要求，根據(jù)超前支護系統(tǒng)設(shè)計原則，設(shè)計了一種由8架A型超前支架和2架B型端頭支架構(gòu)成的“輕型橫向自移式超前液壓支護系統(tǒng)”。

3.1 主要支護參數(shù)設(shè)計

( 1 ) 支護高度

根據(jù)龍灘煤礦3124S工作面巷道高度尺寸以及立柱的伸縮比，確定A型、B型支架的最低高度為1.5 m，A型最大高度為2.95 m，B 型最大高度為3.0 m。

( 2 ) 支護強度

超前支架支護強度是巷道超前支護液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)，為確定合適的支護強度，采用頂板載荷估算法進行計算：

式中，H為采高，取H=2.5 m；ρ為頂板巖石密度，取ρ=2.5 t/m3；K為頂板巖石厚度系數(shù)，一般取4～8，本文取K=5。

經(jīng)計算，確定支架支護強度為0.30 MPa。

( 3 ) 工作阻力

由支架的控頂范圍和支架的結(jié)構(gòu)形式，確定支架的工作阻力，即

式中，B為架間距，取B=2.3 m；η1為支護效率，取η1=0.9；η2為安全閥波動系數(shù)，取η2=0.95；p為支護強度，取p=0.30 MPa；LD為頂梁長度，A型超前支架取3 000 mm，B型端頭支架取4 000 mm；n為安全系數(shù)，取n=1.0。

經(jīng)工作阻力驗算取整，確定A型支架支護阻力PA=2 400 kN，B型支架支護阻力為PB=3 600 kN。最終確定A型超前支架架型為ZTHC2400/15/29.5D，B型端頭支架架型為ZTHJ3600/15/30D。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 A 型超前支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

A輕型橫向智能化超前液壓支架由頂梁、二級升降座、底座、立柱、推移千斤頂、抵幫千斤頂以及連接件等組合而成，具體的A型超前支架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 A型超前支架結(jié)構(gòu)示意 Fig. 3 Schematic diagram of A-type advanced support structure

( 1 ) 頂梁

頂梁采用整體式箱型結(jié)構(gòu)，接頂面積大，既適應(yīng)巷道破碎頂板條件，又與頂板接觸承受頂板巖石載荷和動壓，并起切頂作用，是支架的主要承載部件。利用銷軸與升降座、4根立柱活塞桿分別相連，當(dāng)立柱伸出時，支架升架頂梁支撐頂板，當(dāng)立柱收回時，支架降架頂梁脫離頂板，調(diào)整前排立柱的伸出長度可實現(xiàn)頂梁在一定傾角范圍內(nèi)擺動，能適應(yīng)巷道小幅度的傾角變化。

( 2 ) 二級升降座

超前支架升降座采用整體箱形結(jié)構(gòu)，由一級升降座、二級升降座組成。二級升降座置于一級升降座箱體內(nèi)，二級升降座置于底座后端箱體內(nèi)，二級升降座上端利用銷軸與頂梁連接，通過立柱的升、降兩級升降座都能靈活伸出和收回，能滿足雙伸縮立柱大伸縮比和不同工作面高度的要求。

( 3 ) 底座

底座作為支架的主要承載部件，采用船型整體式結(jié)構(gòu)，直接接觸底板，整體式底座剛度大、強度足夠，接底面積大，對底板比壓較小，可確保頂板壓力經(jīng)過頂梁、立柱、升降座、底座傳導(dǎo)至底板時移架過程中不會出現(xiàn)扎底現(xiàn)象。

底座后端布置左、右2組下幫底調(diào)裝置，由銷軸及下幫底調(diào)千斤頂構(gòu)成，底調(diào)千斤頂安裝于固定筒內(nèi)用銷軸固定，移架時可手動調(diào)正，支架立柱采用4根雙伸縮立柱，于底座的前、后排各布置2根。

雙抵幫裝置布置于底座后端的兩側(cè)，通過千斤頂伸出抵住煤壁下方，調(diào)節(jié)支架在巷道內(nèi)的相對位置，減少人工調(diào)節(jié)難度，協(xié)助順利移架。

架與架之間由2組推移裝置相互連接，利用推移千斤頂?shù)纳焓諏崿F(xiàn)超前支架橫向移架。

( 4 ) 可伸縮行人裝置

可伸縮行人裝置安裝于相鄰2架支架的底座之間，兩端分別與上下兩支架底座相連。分體連接，上下錯層重疊搭接的結(jié)構(gòu)形式，既確保了可伸縮行人裝置的支撐強度，又確保了移架過程中行人裝置不會脫節(jié)，為行人提供安全保障。

3.2.2 B 型端頭支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

B型橫式端頭支架布置在運輸巷，工作面出煤口處，該區(qū)域是頂板壓力區(qū)、設(shè)備集中區(qū)。其主要結(jié)構(gòu)與超前支架類似，在頂梁處增加伸縮梁、采空區(qū)處增加擋矸系統(tǒng)。B型端頭支架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 B型端頭支架結(jié)構(gòu)示意 Fig. 4 Schematic diagram of B-type face-end support structure

( 1 ) 頂梁伸縮梁

端頭支架和工作面支架間的“三角帶”隨傾角而變化，安全性差，影響正常循環(huán)，是綜采工作面的支護難點，設(shè)計的頂梁伸縮梁，可有效支護“三角帶”頂板。

( 2 ) 擋矸裝置

增加各級擋矸裝置，在采空區(qū)側(cè)安裝前、后擋矸板，頂梁上安裝頂梁前、后擋矸板，隔開工作區(qū)和行人空間，保證下端頭處行人安全，底座前端擋矸板提高端頭支架的防護性能。

3.3 布置方式

輕型橫向超前支護系統(tǒng)由8架A型超前支架和2架B型端頭支架構(gòu)成，其中A型、B型支架的頂梁、底座均為整體式箱型結(jié)構(gòu)。超前支護系統(tǒng)總支護長度為21.5 m，單架架寬1.55 m，架間中心距2.3 m，前部超前支架尺寸小，可躲避轉(zhuǎn)載機，后部端頭支架尺寸大，用于擋矸和擋風(fēng)，超前支護系統(tǒng)在巷道中具體布置方式如圖5所示。

圖5 A，B型輕型橫向超前支護系統(tǒng)巷道布置方式 Fig. 5 Plan of A and B type light lateral advanced support system layout in the headgate

巷道頂板采用錨桿錨索網(wǎng)聯(lián)合支護，其中錨桿間距800 mm，排距800 mm；錨索間距1 600 mm，排距1 600 mm，如圖6所示，超前支架組在架間布置時，收回狀態(tài)時留空800 mm，拉開狀態(tài)留空1 600 mm，留空步距與錨桿錨索間排距相配合，全部支架開始為拉開狀態(tài)，隨著工作面推進從后至前各架逐漸收回。此布置方式既達到了支護效果，又極大地減少了巷道頂板受頂梁反復(fù)支撐造成的破壞。據(jù)計算，留空1個800 mm步距后，推移1個超前支架，頂板受支撐破壞可減少2次。

通過分析端頭推移受力情況，確定推移千斤頂布置方式為前后雙推移，確保超前支架協(xié)調(diào)前移，采用沉入式布置的千斤頂推移點高度由傳統(tǒng)端頭支架的550 mm降至200 mm，有效減少了因推移點過高，造成推移時支架偏斜的情況，保證千斤頂不冒出底座箱體，減少推移千斤頂對人員行走的影響。

圖6 留空布置推移示意 Fig. 6 Support moving with space left layout

4 超前支架系統(tǒng)智能控制

目前國內(nèi)初步形成了薄及中厚煤層智能化綜采開采模式[20]，龍灘煤礦通過傳感系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，實現(xiàn)集控中心對3124S工作面超前支架系統(tǒng)的智能化控制。

4.1 傳感系統(tǒng)

在支架立柱上安裝壓力傳感器、行程傳感器、采煤機位置監(jiān)測傳感器等感知元部件，監(jiān)控主機監(jiān)測操作臺進行液壓支架遠程操作時，實時記錄反饋各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態(tài)、主機與工作面控制系統(tǒng)通信狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)程序丟失、參數(shù)錯誤、輸入錯誤、輸出錯誤、通訊錯誤、人機交互錯誤和安全操作裝置故障時，監(jiān)控中心能實現(xiàn)對液壓支架等設(shè)備故障診斷，并發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號。

4.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)由礦用本質(zhì)安全型攝像儀、顯示器和操作臺、安裝電纜及附件等組成。每3個支架配備2臺礦用本質(zhì)安全型紅外攝像儀，攝像儀通過有線方式接入綜合接入器，由接入器進行供電及視頻信息傳輸。分別將平行巷道方向、垂直于巷道方向拍攝的視頻通過以太網(wǎng)以100 Mbps的傳輸速率傳輸至監(jiān)控中心，由2臺礦用本質(zhì)安全型顯示器顯示工作面視頻、巷道超前支架情況，實現(xiàn)在監(jiān)控中心跟蹤采煤機，并自動切換視頻攝像畫面。

4.3 控制系統(tǒng)

超前支護系統(tǒng)控制以電液控計算機主畫面和工作面視頻畫面為輔助手段，通過支架遠程操作臺實現(xiàn)對液壓支架降柱、推移等動作的控制，控制延時不超過500 ms。系統(tǒng)還可根據(jù)液壓支架預(yù)先設(shè)定初撐力值，自動對工作面液壓支架進行補壓，即當(dāng)檢測到支架立柱壓力值低于設(shè)定值時，自動進行補壓3～5次。立柱壓力傳感器采集到的實時壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C，對壓力數(shù)據(jù)進行存儲，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)對工作面來壓周期的預(yù)測。超前支架遠程控制系統(tǒng)如圖7所示。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

龍灘煤礦3124S智能化綜采工作面走向長約1 486 m，傾斜長約200 m，于2019年3月14日起開始正式安裝，5月27日完成系統(tǒng)所有功能調(diào)試，6—8月“一采一準(zhǔn)”試生產(chǎn)期間進行了單機和多機聯(lián)動運行穩(wěn)定性測試、自動化系統(tǒng)運行穩(wěn)定性測試，從9月開始進行“兩采一準(zhǔn)”正常生產(chǎn)，生產(chǎn)能力滿足設(shè)計要求。超前液壓支護系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果如下：

( 1 ) 頂板穩(wěn)定性有效控制

通過改變支架間收回和拉開狀態(tài)下的留空距離，每推移1個支架，整體式箱型頂梁支撐復(fù)合頂板次數(shù)減少2次，現(xiàn)場觀測頂板受到的破壞大幅減少，極大地保證了工作面推進過程中頂板的穩(wěn)定性，為工作面快速推進奠定了堅實的基礎(chǔ)。

( 2 ) 工作面推進速度大幅提升

超前支護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置緊湊合理，采用船型整體式底座配合前后雙推移千斤頂避免了超前支架協(xié)調(diào)前移及移架過程中出現(xiàn)扎底現(xiàn)象，底座后端兩側(cè)雙抵幫裝置，協(xié)助順利移架，大幅縮短了每個循環(huán)因超前支護造成的停機時間，一天3班至少增加2 h的開機時間，工作面推進速度提升15%～20%。

( 3 ) 經(jīng)濟效益顯著增長

3124S工作面使用智能化超前支護系統(tǒng)后每班超前維護人員由原來的6人減少為2人，單面每年節(jié)約人工工資約60萬元，全年節(jié)約支護材料費用約60萬元，日割煤刀數(shù)至少增加2刀，日出煤量增加約800 t，每年經(jīng)濟效益增加約1億元，經(jīng)濟效益增長顯著。

圖7 支架遠程控制系統(tǒng) Fig. 7 Support remote control system diagram

6 結(jié) 論

( 1 ) 針對傳統(tǒng)超前支架在龍灘煤礦復(fù)合頂板薄及中厚煤層應(yīng)用中存在頂板破碎嚴重、空間位置受限、推移困難、勞動強度大等問題，設(shè)計了由8架A型超前支架和2架B型端頭支架構(gòu)成的輕型橫向自移式超前液壓支護系統(tǒng)。

( 2 ) 3124S工作面現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，輕型橫向自移式超前液壓支護系統(tǒng)可有效控制復(fù)合頂板的穩(wěn)定性，布置方式合理，并解決了移架難的問題，配備的智能化控制系統(tǒng)，保證了智能化工作面的快速推進。

( 3 ) 智能化綜采工作面超前支護系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了綜采生產(chǎn)效率、節(jié)約了人力物力成本，在創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益的同時，也改善了工作面作業(yè)環(huán)境、降低了工人勞動強度、減少了資源浪費、促進了煤礦智能化開采技術(shù)進步，創(chuàng)造了顯著的社會效益。