工作面超前支架研制与应用分析

2011-08-15王绍星

山西焦煤科技 2011年11期

王绍星

在煤岩体中开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力［1］。在工作面回采过程中，采空区不断扩大，其上覆岩层的重量向四周的煤岩体深部转移，从而在工作面前方形成超前支承压力，而两侧形成侧向支撑压力。工作面两巷的掘进，也同样使巷道上覆岩层重量转移到两侧煤体上，从而在巷道两侧形成侧向支承压力。工作面前方两巷处于工作面超前支承压力和两巷侧向支承压力的叠加影响区，巷道变形量大、破坏严重，需要采取加强支护和卸压措施以防治巷道过度变形，保证工作面的正常安全回采。

目前，我国综采工作面超前支护的方式主要是在巷道掘进施工的锚索、锚杆、金属网、钢带、钢筋梯等联合支护的基础上，采用单体支柱、U型钢支架、工字钢金属支架、金属顶梁和木顶梁等联合支护的形式。这种支护方式对于一般浅部开采工作面可以满足支护强度的需求，而对于特殊情况开采，如孤岛工作面和深部工作面开采则经常不能满足支护强度的要求。并且当前的传统超前支护方式机械化程度还不高，劳动强度大，支护结构稳定性和安全性一般，不能完全满足国家对煤矿高效安全生产的要求。所以，设计研制具有高强度、高机械化特点，能够控制巷道过度变形和防止围岩冲击的超前液压支架，对于保证煤矿高效安全生产十分重要。

1 超前支架研制的技术要求

煤矿上使用的液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本类型。工作面超前支架是为满足工作面超前支护的特殊要求而发展起来的特种液压支架，但其在结构形式上还属于三种基本架型［2］。而从目前已有的超前支架形式来看，超前支架大都是以掩护式或支撑掩护式工作面支架为基础，增加前探梁、前立柱和前底座等而成的。作为为工作面超前支护服务的特种支架，超前支架的设计必须要满足超前支护段的特殊要求。经现场实践经验总结并参考相关文献得出，设计两巷超前支护液压支架必须满足以下技术要求：

1)支架尺寸方面。超前支护液压支架的顶梁、前探梁和侧护板能够随支护断面尺寸的变化来调节，对巷道顶底板移近和两帮变形具有很强的适应能力;支架结构设计满足超前支护段内转载机、破碎机、皮带输送机的布置尺寸，并留有足够的安全空间和确保足够的行人空间。

2)支架强度方面。超前支护液压支架能够提供足够的初撑力和工作阻力，初撑力能够支撑起直接顶岩层重量，提供足够的初始主动支撑力以减小顶板下沉和防止直接顶和老顶的离层;支架的工作阻力能够有效地控制顶板的最大变形量，防止顶板下沉量过大影响生产而需人工挑顶现象的发生，保证工作面的高效连续生产。

3)支架拉移转运方面。随着工作面回采，两巷超前段不断前移，超前支护支架相应也需不断向前移动。因此，超前支架要和工作面其他设备有效协调配合，拉移动作快速便捷，才能不影响生产。要求支架具有强的移动能力，推移千斤顶所能产生的拉架力要达到超前支架总重量的3～5倍，以保证各种特殊情况下都能顺利移架。

4)支架寿命方面。要具有和工作面支架相适应的服务年限和大修周期，保证超前支护支架和工作面支架的有效配套使用。

5)支架操作方面。机械化程度高，操作简便，可取消繁重体力劳动。操作支架时将会引起支架四周煤岩体应力分布大的变化，煤岩体的变形破裂加剧，发生冲击等安全事故的可能性加大。因此，超前支架要提供有效的安全保护空间，保证操作人员的人身安全。

2 超前支架现场应用分析

进入21世纪之后，我国东部许多煤矿都进入了开采晚期，地质条件好的储量已开采完毕，只剩一些条件差的储量可以开采。在生产过程中巷道压力显现明显，尤其是超前支撑段，有些煤矿已经影响了正常生产和威胁工人人身安全，为巷道支护提出了更加严格的要求。同时，我国煤矿液压支架研发制造能力的提高也为巷道超前支护机械化提供了条件。对于一些矿井，已经开始和煤机厂合作研发适用于自己实际条件的超前支护液压支架，并进行了实际应用。下面对这些支架的应用情况进行分析。

神华集团补连塔煤矿采用支撑掩护式超前液压支架，其特点是：超前支架的各个机构如顶梁、前探梁和侧护板可随巷道断面的变化来调节，对巷道顶底板移近和两帮变形具有很强的适应能力。和工作面支架一样，超前支架采用柱体内液压来控制支架的支撑力，支架的初撑力是主动施加的，而工作阻力则是顶板压出来的，对顶板压力显现具有很好的适应性。同时，支架电液控制系统安装在端头支架，支架操作工可以在端头支架的保护下进行移架操作，保证了工人的人身安全［3］。

义马集团跃进煤矿采用门式支架+椭圆型棚进行超前支护，不仅提供较高的支护强度，有效控制巷道的变形量，而且对顶底板和左右帮都有很强的防冲击的能力。

神华集团小红沟煤矿采用了郑州四维机电设备制造有限公司制造的ZCH9030前后置式超前支护液压支架，该支架是前置支架、后置支架互为支点交替迈步前移的。先降下后置支架，收前置支架、后置支架之间的推移千斤顶，以前置支架为支点，来移动后置支架，反之，则可以推动前置支架进行前移［4］。

晋煤集团成庄煤矿根据回采需要设计的超前液压支架，其特点是，采用窄四连杆结构，增大通风断面，满足工作面通风要求。支架顶梁由两段箱形结构铰接而成，前后设置回转前梁，具有很强的适应顶板变形的能力。每台支架均设四连杆机构和二力杆机构，保证支架的稳定性［5］。

潞安集团王庄煤矿超前支护液压支架，有效的解决了移架问题，不再采用传统单体柱似的随着工作面回采，离工作面最近的超前支架撤下，再安装到超前支护外侧的方式。这样使巷道顶板避免了受到超前支护液压支架的反复支撑而变得破碎和不易维护［6］。

兖矿集团东滩煤矿的超前支架也有效地解决了超前支架移架时反复支撑顶板的问题。其思路是将多条履带组成一个整体的顶梁，在支架前移时采用带压移架，防止出现反复支承顶板造成顶板破碎情况的出现，并且提供足够的初撑力，保证了顶板的稳定性和完整性［7］。

在超前支护液压支架实际应用中，主要还存在以下不足之处：1)部分超前支架的移架方式容易造成对顶板的反复支撑，引起顶板变形严重和破碎，不利于巷道围岩的维护。且由于巷道采用锚杆、锚索支护，在巷道壁会有一部分外漏，影响超前支架顶梁与巷道顶板的接触效果。2)对于两巷超前支护段来说，顶底板和两帮的变形量都很大，而两帮发生冲击的可能性更大，要求支架具有较强的防护两帮冲击的能力。而实际的超前支架，除了义马跃进矿的门式支架+椭圆型棚的组合外，一般都只对顶底板具有较高的防护能力，侧向的防护能力和稳定性不足。3)超前支护段中放置有各种生产配套设备，这些设备的尺寸、位置和超前支架不易配套，不如单体支柱灵活。