伯方礦回采巷道掘進臨時支架選型研究

王 煜

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦，山西 晉城 048002）

回采巷道掘進是礦井生產的重要環節，巷道安全、高效掘進為工作面的開采提供了前提和基礎。掘進過程中巷道圍巖的有效支護對掘進速度具有重要影響。山西蘭花集團股份有限公司伯方煤礦回采巷道采用“懸臂式掘進機+單體錨桿鉆機”的掘進作業模式，為了提高巷道的掘進速度，同時保證掘進巷道圍巖的有效支護，該礦計劃引進并采用掘進巷道臨時支護支架對圍巖進行臨時支護。然而，掘進工作面空間有限，設備種類繁多，實際運行復雜，同時掘進工作面作業人員較多，臨時支護支架的合理選擇對工作面的安全、快速掘進提出了更高的要求[1-2]。考慮該礦以往尚未使用掘進臨時支護支架組，本文針對回采巷道掘進實際技術條件，對工作面臨時支護支架進行了選型研究，確定了合理的臨時支護支架，為后期支架的設計提供參考。

1 掘進工作面開采技術條件

3305 工作面所采的3 號煤位于山西組下部，下距9 號煤層48.00～52.00 m，平均49.25 m。煤層厚3.78～6.13 m，平均厚5.31 m，結構簡單-復雜，含夾矸0～3 層，厚度最大在井田南部的639 號孔，全區可采，厚度變化小，屬穩定可采煤層。3305 運輸順槽為矩形斷面，凈斷面積為16.17 m2，凈寬5.3 m，凈高3.05 m，沿煤層底板布置。巷道頂底板巖層特征見表1。

表1 煤層頂底板情況表

巷道采用錨桿、錨索支護。頂板錨桿為Φ20 mm×2200 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排安裝7 根，間距為800 mm，排距為900 mm，靠近兩幫側錨桿與垂直方向夾角為10°，其余錨桿垂直于頂板布置；幫部采用MTS421Φ16 mm×1800 mm型脹套錨桿，每排安裝4 根，間距為800 mm，排距為900 mm，幫部最上方及最下方錨桿與水平方向呈10°角，其余錨桿垂直于幫部安裝。巷道采用EBZ-150E 綜掘機割煤，單體錨桿鉆機打設錨桿，配套皮帶運輸系統運煤，探放水采用鉆機型號為ZYJ-500/180 型架柱式液壓回轉鉆機，電機功率11 kW。

2 掘進工作面臨時支護支架選型

2.1 臨時支護強度

巷道掘進初期，圍巖應力會發生重新分布，無支護狀態下在巷道頂板一定范圍內巖層結構會受到破壞。隨著距離掘進工作面距離的增大，頂板巖體破壞范圍及破壞深度會逐漸增大，待圍巖處于穩定狀態后，在頂板巖層的一定范圍內會形成一個相對穩定的應力拱。根據自然平衡拱相關理論，掘進巷道臨時支護支架組的支護強度應不小于自然平衡拱拱高范圍內巖體的重量，即在臨時支護支架組的支護作用下，應能有效抵擋頂板拱高范圍內巖層帶來的壓力。

巷道掘進后，在其頂板一定范圍內形成的自然平衡拱的高度為[3-4]：

式中：H為拱高，m；f為掘進擾動影響后上覆巖層的硬度系數，取1.8；c為形成自然平衡拱的兩拱腳之間的距離，即自然平衡拱的跨度。

自然平衡拱的跨度按照下式計算：

式中：a為巷道兩幫部之間的距離的一半，2.65 m；h為巷道的高度，3.05 m；φ為巖體的內摩擦角，取28°。

掘進巷道臨時支護強度可按照下式計算：

式中：γ為掘進巷道頂板巖層的容重，取25 kN/m2。

通過計算可得P=62.26 kPa。

為進一步分析掘進巷道圍巖的臨時支護強度，根據3305 工作面運輸順槽的實際開采技術條件，建立了三維數值計算模型。在巷道掘進初期，對巷道頂板施加62.26 kPa 的力模擬臨時支護強度，分析巷道掘進過程中臨時支護作用下煤巖體物理力學參數見表2。

表2 煤巖體物理力學參數

圖1 為數值模擬所得掘進過程中巷道在臨時支護作用下圍巖垂直位移云圖。由圖可知，巷道掘進初期，在臨時支護的作用下，巷道頂板最大下沉量約為30 mm。在臨時支護作用下頂板下沉量較小，頂板下沉可控，表明臨時支護參數合理，在臨時支護作用下掘進巷道頂板可以保持較小的變形，可為后期錨桿永久支護提供良好的作用條件。

圖1 巷道頂板變形云圖

綜合考慮理論計算和數值模擬結果，確定3305運輸順槽掘進巷道臨時支護強度不低于62.26 kPa。

2.2 臨時支護支架組的結構要求

現階段絕大多數煤礦井下綜采工作面回采巷道為全煤巷道或半煤巖巷道，相較于巖巷，煤巷或半煤巖巷道更有利于提高掘進速度，特別是近年來掘進技術的發展與掘進裝備的不斷進步為回采巷道快速掘進提供了基礎[5-6]。考慮優化支護工序與提高掘錨平行作業時間，越來越多的綜掘工作面開始應用掘進臨時支護支架組。臨時支護支架組主要作用為：一方面可以及時維護掘進工作面迎頭區域圍巖的穩定，有效避免迎頭區域頂板局部破碎巖體冒落而造成井下作業人員傷亡和設備的損壞；另一方面，合理的臨時支護支架可以為掘進工作面錨桿的安裝和錨固提供安全作業空間，同時可以將部分錨桿及錨索的安裝作業滯后進行。在臨時支護作用下可優化錨桿支護作業工序，提高平行作業時間，從而提高巷道的整體掘進速度。

由于掘進巷道實際作業空間小，設備布置種類繁多，為臨時支護支架組結構的合理性提出了更高的要求。一般而言，臨時支護支架組布置于懸臂式掘進機的上方，為掘進機上部區域的頂板提供臨時支護，為實現掘進工作面頂板的有效支護，臨時支護支架組結構應滿足如下要求：

1）減少對頂板的破壞。掘進工作面臨時支護距離較長，約為10 m 以上，掘進過程中臨時支架需要循環移架，應在移架過程中減小對巷道頂板的破壞，以實現后期錨桿的有效支護。

2）快速移架。掘進工作面臨時支護支架通過油缸推拉進行移架，考慮降低輔助作業時間，減小頂板空頂時間，應在允許條件下使用大流量油缸，以實現掘進過程中支架的快速移架。

3）緊湊輕便型整體結構。考慮掘進工作面實際作業空間有限，臨時支護支架應設計為緊湊型結構，關鍵結構件不宜過大或過重，以保證掘進過程中臨時支護的輕便性和有效性。

4）高可靠性。臨時支護支架在設計過程中應使用高強度、高可靠材料，同時對各結構進行可靠性優化研究，以保證臨時支護支架的整體可靠。

2.3 臨時支護支架選型

在上述研究基礎上，結合3305 運輸順槽掘進工作面實際情況，確定選用ZLJ3200/25/32D 型滑移式臨時支護支架。該支架設計為整體框架式頂梁，滑移式移架，實際移架過程中可始終保持對頂板的接頂支護，有效避免了移架過程中的空頂現象，實現頂板的實時支護。臨時支護支架主要技術參數見表3。

表3 臨時支護支架主要技術參數表

3 結語

本文結合伯方煤礦3305 工作面運輸順槽實際開采技術條件，對掘進工作面臨時支護支架組進行選型研究，確定了臨時支護支架的型號，為后期支架的設計和使用提供參考。后期實際使用過程中應根據巷道圍巖穩定程度，對巷道支護參數進行優化。若臨時支護過程中出現頂板破碎等情況，應在工作面附近及時打設部分錨桿，以實現臨時支架與錨桿對巷道的共同支護，保障圍巖的整體穩定，為巷道永久支護提供良好的作用條件。