大采高工作面順槽超前支架應用研究

陜衛斌，李學鵬

（晉能控股煤業集團長平煤業有限責任公司 山西 高平 048400）

長平公司大采高工作面超前支護區和端頭端尾區原有單體柱支護方式已有8～9 個采面的回采歷史，此種方法存在架棚材料消耗大、勞動強度高、倒柱事故多、支護強度低和速度慢等問題，不能適應安全快速高效回采的需要，嚴重影響工作面推進速度。因此我公司結合現階段大采高工作面開采現狀，以巷道設備空間尺寸富余量充足的43063巷為試點進行超前支架試驗研究，通過現場應用可知超前支架完全能夠替代原有單體柱方式，為類似條件下工作面超前支護架使用提供參考。

1 工作面順槽巷道概況

43063巷是4306大采高工作面的輔運巷道。矩形巷道，煤層厚度5.64 m，傾角4°，煤層穩定，地質構造簡單，埋深450 m，直接頂為泥巖，老頂為粉砂巖，直接底為泥巖，老底為粉砂巖，為不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。4306工作面東側為4304綜采面采空區，西側為4308 綜采面（正在準備），南側為井田邊界，北側為開拓大巷。

巷道采用錨網索聯合支護，錨桿錨索間排距均為1 m，巷道高度3.5 m，巷道寬度5.6 m，巷道采用兩進一回布置，43063 巷為主進風兼運料，43061 巷為輔助進風兼運煤，43062 巷回風。大采高工作面順槽巷道在4306 工作面以前的超前支護均采用單體柱支護。受大采高工作面超前支承壓力和采動應力影響，工作面煤壁前方超前支護長度為30 m，現場每次均按30 m超前支護布置單體柱。故急需在43063巷開展超前支護支架設備選型和現場工業試驗。巷道布置、綜合柱狀見圖1圖2。

圖1 巷道布置圖

圖2 綜合柱狀圖

2 超前支架選型分析

2.1 支架主要技術參數確定

（1）理論計算

為保證工作面回采期間超前支護架能夠滿足巷道頂板穩定，應滿足公式[1]：

式中：PC—支架支護強度，PC≥（0～0.5）MPa；

PO—殘余支護強度，PO=0.4 MPa；

PZ—巷道頂板壓力，PZ=（0.4～0.9）MPa。

綜合考慮，取PC=0.14 MPa。

超前支護支架按照7.4 m一組計算，則超前支護支架的工作阻力為：

PC= 0.14×5 600×7.4=5 801 kN，取6 000 kN。

（2）4304工作面43042巷超前支護單體柱阻力實測

4304工作面43042巷超前支護單體柱阻力實測折線圖見圖3。

圖3 4304工作面43042巷單體柱折線圖

從圖3 可以看出：工作面煤壁前方約6 m～12 m 單體柱阻力達到最大值，最大值基本達到單體柱額定阻力，其中現場局部單體柱出現卸液現象。工作面煤壁6 m 以前呈現逐步增大態勢，12 m 以后呈現逐步縮減態勢，30 m 以后單體柱阻力呈現穩定趨勢，壓力變化不大。所以超前支架選型時重點針對工作面煤壁前方30 m范圍內布置超前支架。

（3）支架主要技術參數

現場選用3組ZQL2×3000/27/55型超前垛式支架，其主要技術參數見表1。

表1 超前支架技術參數

2.2 支架主要結構分析

超前支架采用力學分析和機械專業軟件對支架四連桿機構受力情況進行優化設計，可有效避免支架受力不均現象，同時采用有限元軟件實現配件合理使用，進一步增加支架使用可靠性[2]。其主要結構含有底座、雙向伸縮立柱、前后連桿、左右連桿、頂梁、護頂板、防倒千斤頂、底座側拉千斤頂和側翻梁千斤頂等。超前支護架巷道布置和現場實景圖見圖4圖5。

圖4 43063巷超前支護架巷道布置和結構圖

圖5 超前支護架實物圖

3 超前支架支護工藝

3.1 工作方式

超前支護支架工作方式（見圖4）：利用新增端尾架和第1 組超前支架（即超前支護架5、6）互為支點前移，第2組超前支架（即超前支護架3、4）和第1組超前支架互為支點前移，第3組超前支架（即超前支護架1、2）和第2組超前支架互為支點前移，每1組超前支架由左右2架組成，移動時，左右架體邁步自移[3-5]。

超前支架支護操作條件：當工作面采煤機組割過2 次機尾（即機尾割三角煤進刀）、正向機頭方向推進并保證后滾筒距離順槽至少10 個支架時，方可操作“超前-端尾”系列新型支架。

超前支架支護布置參數要求：走向方向：超前支護架5、6前梁護板前端與工作面端尾架護幫板前端距離不得超過1 m，超前支護架3（或4）前梁和超前支護架5（或6）垛式頂梁距離不得超過1 m，超前支護架1（或2）前梁和超前支護架3（或4）垛式頂梁距離不得超過1 m；傾斜方向：超前支護架5（或3、1）護頂前端和超前支護架6（或4、2）護頂前端距離不得超過1 m；超前支護架超前控頂距離為22.64 m。

3.2 操作流程

超前支架支護操作程序：當機組割過2 次機尾并移架（不含新增端尾架P4）、推溜子機尾后，這時工作面端尾架護幫板和超前支護架5、6前梁交叉0.6 m，故6個超前支護架需要往外一次性移動2個循環步距1.6 m。“超前-端尾”系列新型支架移架順序為移超前支護架1/2→移超前支護架3/4→移超前支護架5/6→移新增端尾架P4。成組支架采用鄰架操作方式，能夠避免支架工在本架操作時誤傷人。操作超前支護前移至少需要2人配合操作。

超前支架支護操作流程：機組2 次過機尾→頂溜→頂溜子機尾→拉架（不含新增端尾架P4）→第1人操作超前支護架2閥組控制超前支護架1的降架、收前梁和護頂→另1人操作超前支護架4閥組控制超前支護架1 的前移→第1 人操作超前支護架2 閥組控制超前支護架1 升架、打前梁和護頂、1-2 間頂底相對油缸→控制超前支護架2、3、4、5、6同1→操作新增端尾架P4閥組前移→完成。

4 應用效果

（1）經過3個月的統計，平均每天可節約乳化油成本500元；超前支護人員定額減少2人，每天減少勞務性支出360 元，全年工作日按300 d 計算，可累計節省乳化油和勞務費30.5萬元。同時杜絕了架棚木垛及板梁等支護材料浪費，取得了良好的環保和經濟效益。

（2）超前支架初撐力可達到5 235 kN，能夠有效支撐順槽巷道超前段的頂板，保證切頂效果，減緩頂板下沉速度，減少了兩幫及頂底板移近量。

5 結語

超前支護架在4306大采高工作面的應用，解決了長期以來順槽巷道超前支護工序繁雜、勞動強度大、頂板控制難、單體柱搬移不安全、乳化液浪費嚴重等問題，大大減輕了工人勞動強度，取得了明顯的經濟效益和社會效益，有良好的推廣應用價值，為類似條件下超前支架使用提供參考。