煤礦采煤工作面超前支護(hù)的應(yīng)用

王 偉

（山西焦煤西山煤電晉邦德煤礦，山西 呂梁 033000）

煤礦采煤工作是一項(xiàng)危險(xiǎn)性極強(qiáng)的工作，該行業(yè)引發(fā)的事故不在少數(shù)。事故之一為頂板事故，其又可以細(xì)分為兩類：采煤工作頂板事故與巷道頂板事故。安全一直是采煤工作重點(diǎn)關(guān)注的問題，為減少事故發(fā)生，學(xué)界和實(shí)務(wù)中負(fù)責(zé)安全工作的人員不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，希望可以對現(xiàn)狀有所突破和改善。經(jīng)過長期的努力，也伴隨技術(shù)的進(jìn)步，工作條件得到了極大的改善，在采煤工作的方法和工藝等方面，逐漸可以實(shí)現(xiàn)智能化和機(jī)械化，減少了人工從事高危行為的可能，進(jìn)而降低了采煤工作頂板事故的發(fā)生率。考慮到煤礦采煤工作面的支護(hù)要求，本文主要對超前支護(hù)方法的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，從而在掌握超前支護(hù)技術(shù)要領(lǐng)的基礎(chǔ)上推動(dòng)各項(xiàng)工作的有效開展。

1 煤礦采煤工作面超前支護(hù)現(xiàn)存問題

1.1 支護(hù)設(shè)計(jì)不科學(xué)

支護(hù)是否合理、科學(xué)是實(shí)現(xiàn)采煤工作安全的重要一環(huán)，但實(shí)踐中該方面依然存在著較大的問題。在做決定前，首先應(yīng)當(dāng)對支護(hù)的本質(zhì)做出正確的認(rèn)知，支護(hù)的作用和意義是選擇合適的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖的變形進(jìn)行有效的支護(hù)。要想實(shí)現(xiàn)支護(hù)設(shè)備應(yīng)有的作用，必須要對采煤工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，做出正確的分析，而后根據(jù)結(jié)論去選擇適合當(dāng)前工作環(huán)境需求的支護(hù)設(shè)備和型號(hào)。考察采煤的現(xiàn)實(shí)工作條件具有相當(dāng)?shù)碾y度，所以很難全面掌握實(shí)際情況，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和選擇的支護(hù)設(shè)備不夠科學(xué)，事故仍有發(fā)生。

分析上述結(jié)果產(chǎn)生的原因概括為：第一、設(shè)計(jì)難。支護(hù)設(shè)計(jì)依賴于精確的數(shù)據(jù)，但是目前設(shè)計(jì)采用的技術(shù)基本是工程類比法或者數(shù)值模擬法，這樣的方法雖可以提供一些可靠的數(shù)據(jù)作為參考。但是支護(hù)作用的發(fā)揮要求的數(shù)據(jù)極為精確，當(dāng)前實(shí)踐極難獲得與巷道圍巖具有高的相似度的數(shù)據(jù)，再加之開采地區(qū)地質(zhì)體一般都較為復(fù)雜，難已實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)估支護(hù)的效果。第二、易受動(dòng)態(tài)環(huán)境影響。巷道施工過程中很容易受到其他因素的影響，但是支護(hù)設(shè)計(jì)一般要求在靜載的環(huán)境效果最佳。當(dāng)前并未有好的方法將兩者對環(huán)境需求矛盾達(dá)到平衡。第三、支護(hù)方案不能及時(shí)得到調(diào)整。支護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)和使用對專業(yè)也存在較高的要求，但是，實(shí)踐中并未實(shí)現(xiàn)此要求，施工人員缺乏專業(yè)技能和知識(shí)，對設(shè)備在使用過程中存在的支護(hù)不合理現(xiàn)象不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而不能及時(shí)對方案做出針對性的調(diào)整。

采煤工作的核心難題之一就是巷道設(shè)計(jì)難題，其對安全性和經(jīng)濟(jì)性都有較高要求，除此之外還有成本的考量[1]。

1.2 掘進(jìn)施工工藝不精良

施工工藝對于采煤巷道掘進(jìn)的效率影響重大，精良的掘進(jìn)工藝可以大大提高工作的效率，例如實(shí)踐中，有些煤礦就采用了多工序平行進(jìn)行作業(yè)，這種工作模式收獲了良好的效果，逐漸被其他企業(yè)學(xué)習(xí)和借鑒。具體的采煤工作過程中，采煤的工作面的支護(hù)是必須首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行嚴(yán)格檢查的，倘若該問題沒有得到重視，極有可能產(chǎn)生頂板巖層遇水熱膨脹軟化，而且該問題沒有得到及時(shí)有效的處理，很容易導(dǎo)致頂板破碎。如果設(shè)計(jì)工藝精良，很多的問題都可以得到有效避免，實(shí)現(xiàn)安全保障。觀察實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段掘進(jìn)施工工藝還存在很多做工不夠精細(xì)之處，很多事故的發(fā)生都與其施工工藝相關(guān)聯(lián)，增加了維護(hù)巷道的成本支出，減損了整體煤礦的經(jīng)濟(jì)收益。

1.3 施工人員專業(yè)性不足

煤礦采煤工作是一項(xiàng)專業(yè)性較高的工作，專業(yè)能力直接影響著整個(gè)礦業(yè)工作的基本進(jìn)度和運(yùn)轉(zhuǎn)。超前支護(hù)是采礦工作中綜合性較強(qiáng)的一項(xiàng)工作內(nèi)容，工作中設(shè)備的使用需要有專門知識(shí)人進(jìn)行操作，且不同專業(yè)的技術(shù)人員在整體上還要達(dá)到一定的配合。這是理想效果，與實(shí)際還存在較大的差距。很多從事采礦工作的人員都沒有相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，對整個(gè)行業(yè)的了解知之甚少，對工作內(nèi)容僅是表面上的知道，對于類似采煤工作面超前支護(hù)等的影響因素和不利后果都是不了解的。對一般操作員的技術(shù)要求不是很高，但相關(guān)技術(shù)崗人員就不能再以低要求作為標(biāo)準(zhǔn)了，施工技術(shù)人員稱之為技術(shù)人員，最主要的前提即是有豐富的專業(yè)知識(shí)。實(shí)際并非如此，身處技術(shù)崗的人并不重視其專業(yè)性，專業(yè)知識(shí)不足，這樣的工作團(tuán)體也不能有效的實(shí)現(xiàn)配合，進(jìn)而阻礙工作的順利進(jìn)行，降低超前支護(hù)的質(zhì)量[2]。

2 工程概況

某煤礦是我國重要的產(chǎn)煤地之一，其地處山西省煤田的中部，其采煤深度為700～1200m。該地以豐富的煤炭資源出名，地質(zhì)復(fù)雜也是該地的顯著特征之一。該煤礦井含煤地層主要是石炭—二疊紀(jì)太原組和二疊紀(jì)山西組，主采的3煤層有沖擊傾向，上覆巖層變化頻繁，整體為斷層發(fā)育較多，存在局部頂板破碎的現(xiàn)象。該煤礦采煤工作面沿空巷道在回采存在較大壓力，導(dǎo)致變形嚴(yán)重、礦壓差距大，另外，回風(fēng)巷道溫度高、濕度高的環(huán)境，極大地加劇了頂板維護(hù)的難度。

3 沿空巷道礦壓分帶及特點(diǎn)

結(jié)合煤礦工程以往采煤的情況分析，可以將巷道分為三個(gè)部分：卸載帶、增壓帶、原巖應(yīng)力帶（見圖1）。

圖1 綜放工作面超前支承壓力分布

3.1 卸載帶特點(diǎn)

卸載帶也稱減壓帶，一般為2～6m。此處遭受過支承壓力的作用，煤體已在不同程度上產(chǎn)生變形和破壞，因而使其承載能力降低，于是上覆巖層的支承點(diǎn)向煤體深部轉(zhuǎn)移，在煤體邊緣地區(qū)形成受力較原巖應(yīng)力更低的地帶。

卸載帶，又稱減壓帶，該帶長度一般為2～6m。由于煤體在之前已經(jīng)因?yàn)槭艿降某休d力而變形、破壞，故而到卸載帶承載力就大大得到了緩解。原本上覆巖層的支撐點(diǎn)就發(fā)生了改變，進(jìn)而已轉(zhuǎn)至煤體的深處，煤體的邊緣地形便成為較原巖承受力更低的區(qū)域。

3.2 增壓帶特點(diǎn)

增壓帶也稱支承壓力影響帶或應(yīng)力增高帶，又可分為壓力上升帶、壓力高峰帶和壓力下降帶。根據(jù)某煤礦井下觀測，該影響帶一般為20～40m，根據(jù)采場條件不同，有的也可達(dá)50～60m，甚至更遠(yuǎn)。實(shí)踐證明，在該范圍內(nèi)，巷道易產(chǎn)生較大的變形破壞，維護(hù)較困難，應(yīng)加強(qiáng)此處的支護(hù)。

增壓帶較為復(fù)雜，其長度較卸載帶長，一般為20～40m，有些礦區(qū)還可以加長，增加到60m，它也被叫為應(yīng)力增加帶，或者支撐壓力影響帶。由于其長度較長，內(nèi)部可以細(xì)分為壓力上升帶、高峰帶以及下降帶。某煤礦的增壓帶較長，不同的采場情況不同，有的吸取增壓帶大50～60m，有的可能超過此長度。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，增壓帶在以上范圍極易造成巷道的破壞和變形，難以實(shí)現(xiàn)較好的維護(hù)，故應(yīng)當(dāng)采取措施增強(qiáng)該區(qū)域的支護(hù)。

3.3 原巖應(yīng)力帶特點(diǎn)

原巖應(yīng)力帶增壓帶向外的區(qū)域，實(shí)體側(cè)一般在30～40m 之外，沿空側(cè)一般在50～60m 之外，此處巷道一般不受破壞，比較容易維護(hù)。通過以上分析可以看出，采煤工作面超前支護(hù)重點(diǎn)需對增壓帶進(jìn)行維護(hù)，此范圍一般為工作面煤壁向外60m左右，為了安全起見，一般按照2 倍范圍進(jìn)行維護(hù)，即煤壁向外120m 確定為超前支護(hù)范圍。

原巖應(yīng)力帶是處于增壓帶以外的區(qū)域，該帶由兩部分構(gòu)成，實(shí)體側(cè)通常約30～40m外，沿空側(cè)通常在50～60m外。在該區(qū)域的巷道維護(hù)較其他兩個(gè)區(qū)域簡單且容易，巷道一般不會(huì)受到破壞。我們總結(jié)上述分析也可以發(fā)現(xiàn)，采煤工作面超前支護(hù)的核心就是加大對增加帶的維護(hù)，維護(hù)的區(qū)域一般是工作面煤壁以外約60m。要想實(shí)現(xiàn)更高的維護(hù)效果，應(yīng)當(dāng)加大維護(hù)的范圍，一般可以參照兩倍的范圍，也就是將超前支護(hù)的長度確定為煤壁向外120m左右，此時(shí)的支護(hù)效果更佳[2]。

4 超前支護(hù)方式對比分析

自建礦以來，其不斷進(jìn)行嘗試新的支護(hù)方式，以期實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的管理。以下將對金屬頂梁配合單體液壓支柱、支撐式順槽支架、單元式支架等不同的支護(hù)方式，現(xiàn)進(jìn)行對比分析。

4.1 金屬頂梁配合單體液壓支柱支護(hù)

這種支護(hù)裝置是在沿空巷道居中位置三路金屬十字架支護(hù)頂板，十字架的規(guī)格采用的1.2m×0.8m 規(guī)格，頂部的頂梁用1.2m 長度的衡量傾向式放置，三路的十字架內(nèi)部分為主副梁，交叉的前后再設(shè)置1根金屬材質(zhì)的十字梁，在采側(cè)與不采側(cè)的兩側(cè)的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)的主梁再設(shè)置1根十字架，以呈現(xiàn)八柱為一排設(shè)計(jì)。

金屬頂梁配合單體液壓支柱支護(hù)優(yōu)點(diǎn)具有其優(yōu)點(diǎn)：①各部分聯(lián)結(jié)部分較為密切，鉸接的方式可以是金屬頂梁連成一個(gè)整體。也正是因?yàn)檫B成一體，與頂板存在較大的接觸面積，可以在頂板壓力正常的情況下較好的維護(hù)頂板。②在進(jìn)行工作面回采過程中，保持中間段不動(dòng)，后面的金屬梁與單體回撤后支設(shè)到前面，這樣的設(shè)置不會(huì)對頂板造成反復(fù)支撐的效果。

金屬頂梁配合單體液壓支柱支護(hù)的缺點(diǎn)：①支護(hù)強(qiáng)度不高，很容易出現(xiàn)頂板下沉的現(xiàn)象，同時(shí)，由于單體支柱鉆進(jìn)量大，而且回撤難，操作不適當(dāng)極有可能導(dǎo)致單體支柱被折斷、彎曲，設(shè)置壓死的后果。②金屬材質(zhì)的支護(hù)在設(shè)計(jì)和安裝中需要多種材料，材料應(yīng)當(dāng)?shù)玫酵咨票９埽娣挪牧蠈?huì)用去大筆資金。③該種支護(hù)的設(shè)置將耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力，且勞動(dòng)強(qiáng)度較大，該整個(gè)施工過程中都不能用機(jī)器代替，采用人工扛運(yùn)施工物料的工作方式，效率低且危險(xiǎn)性大。

4.2 自移式順槽支架支護(hù)

沿空巷道采用自移式順槽支架支護(hù)突出的特點(diǎn)是按照頂板走向進(jìn)行布置，可以通過拉移千斤頂實(shí)現(xiàn)自移。

此種支護(hù)優(yōu)點(diǎn)：①自移式順槽支架具有較強(qiáng)的支護(hù)力，可以實(shí)現(xiàn)對頂板的有效支護(hù)。②在設(shè)置和施工方面，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉移，對勞動(dòng)力的要求低。

該種支護(hù)存在的缺點(diǎn)是：①每一個(gè)移位的操作與全部支架的進(jìn)行一系列的配合，這種頻繁的操作使得頂板完整性被破壞。②頂板會(huì)因此下沉、鼓幫，減少支架原本應(yīng)有的活動(dòng)空間，進(jìn)而對人的行動(dòng)、通風(fēng)產(chǎn)生不利影響。

4.3 單元式支架支護(hù)

采用單元式支架布置方式采用的是成對走向，在工作中用單軌吊將最后一組支架運(yùn)至最前支架的前面升起，為完成一次循環(huán)。

該種支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)：①有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生的強(qiáng)度大，可以有效的實(shí)現(xiàn)對頂板的維護(hù)。②支護(hù)的距離較長，使得不用頻繁地對支架進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)而減少了相關(guān)工序的時(shí)間和成本。③單元式支架在對支架進(jìn)行運(yùn)送時(shí)，使用的設(shè)備是風(fēng)動(dòng)單軌吊，這種運(yùn)輸方式極大地降低了施工人員的工作強(qiáng)度。④單軌吊可以實(shí)現(xiàn)將處于末端位置的支架直接移動(dòng)到超前支護(hù)的最外層，減少了因移位對頂板造成破壞，實(shí)現(xiàn)了對頂板的完整保護(hù)。

該支護(hù)存在的缺點(diǎn)：單元式支架的操作前提是必須使用單軌吊挪移，除此之外的其他設(shè)備都不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的支護(hù)效果，且對單軌吊的安裝、質(zhì)量、高度等方面都規(guī)定了較高的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

5 理論分析與實(shí)踐驗(yàn)證

上述分析可知，使用單元式支架對于采煤工作面的超前支護(hù)效果最佳，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)安全便捷的處理效果。該煤礦就是對上述理論分析的實(shí)踐檢驗(yàn)結(jié)果，采用不同支護(hù)方式，對應(yīng)產(chǎn)生的巷道變形量（見表1），表1中的數(shù)據(jù)即可得出支護(hù)效果。

表1 不同支護(hù)方式巷道變形量統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過對分析發(fā)現(xiàn)，四種方式中4綜放工作面結(jié)合單元式支架對巷道的變形影響最小，產(chǎn)生的支護(hù)效果更佳。

6 巷道掘進(jìn)支護(hù)水平提升的關(guān)鍵點(diǎn)

6.1 改進(jìn)工藝流程

建筑業(yè)的施工一般都有嚴(yán)格的操作要求，煤礦作為其中之一，在進(jìn)行采煤工作中對工藝也有較高的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐中有很多的示例，由于工藝不夠規(guī)范，使得采煤危險(xiǎn)增加，引發(fā)很多的事故，要想提升該行業(yè)的安全指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)從工藝上入手，將基礎(chǔ)操作要領(lǐng)作為重點(diǎn)，是施工人員及技術(shù)人員在工作和應(yīng)對突發(fā)問題上有專業(yè)的分析，采取正確的措施，就可以降低礦難的發(fā)生[4]。

6.2 增強(qiáng)對支護(hù)技術(shù)管理

安全管理是每一個(gè)行業(yè)放在首位應(yīng)當(dāng)考慮的，煤礦也更是應(yīng)當(dāng)重視安全管理。對于采煤工作中超前支護(hù)發(fā)生的各種問題，究其原因，其共同點(diǎn)都有管理缺失的因素，故該行業(yè)必須要加強(qiáng)對支護(hù)技術(shù)的管理，將該工作作為重點(diǎn)進(jìn)行安排，建立專門的部門和制度，將責(zé)任落實(shí)到個(gè)人。工藝和技術(shù)管理在采煤超前支護(hù)具有重要的意義，將這兩方面的工作做足，將會(huì)對整體煤礦的面貌和發(fā)展產(chǎn)生巨大的改變，促進(jìn)煤礦安全、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[5]。

7 結(jié)語

在煤礦工程開采的階段采煤工作面超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用水平的高低，直接影響到整體的支護(hù)效果與煤礦生產(chǎn)安全以及質(zhì)量都有著很重要的影響。因此考慮到煤礦工程采煤工作面的質(zhì)量以及安全性，必須要做好超前支護(hù)技術(shù)方案的優(yōu)化，要提高超前支護(hù)的應(yīng)用效果，如此才能夠避免各種危險(xiǎn)事故出現(xiàn)。