综掘巷道超前支护装置及其应用研究

吕 志 朱建明 胡 宇 王 宇

(1.北方工业大学建筑工程学院，北京 100144；2.辽宁天安矿山科技有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.潞安集团王庄煤矿，山西 长治 046031)

综掘巷道超前支护装置及其应用研究

吕 志1朱建明1胡 宇2王 宇3

(1.北方工业大学建筑工程学院，北京 100144；2.辽宁天安矿山科技有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.潞安集团王庄煤矿，山西 长治 046031)

为了解决巷道掘进面事故频发，超前支护越来越得到重视，而传统的临时超前支护方式存在诸多弊端，如支撑力不足，支护面积小，作业耗时长、工人劳动强度大、作业安全无保障，已不能适应当前巷道围岩变形特点，本研究将应用新研制的超前支护装置，结合现场工业性试验以及FLAC数值模拟进行验证。结果表明，该新型超前支护装置结构设计合理可靠，易操作，对于提高巷道开挖后第三向应力水平具有积极的作用，并且该装置可以实现在巷道开挖后“无支护-临时超前支护”等工艺过程的无缝衔接过渡，显著地提高了采煤正规循环率，同时应用该装置的工作面，不仅增强了工人的安全感，也提高了工作效率。超前支护装置在王庄煤矿应用的整个工业性试验期内取得了很好的支护效果与经济效益，完全可以满足安全生产的需要。

超前支护 围岩变形 围岩-支护相互作用

煤矿安全中顶板事故一直受到高度重视，近年来，掘进工作面事故频发，主要是因为巷道开挖后有一定的空顶距离，而且受力状态比较复杂，如不采取有效的临时支护，很容易出现冒顶，片帮现象。而在地质条件差的情况下，此类现象更易发生[1]。

目前我国煤矿开采过程中主要采用以下2种传统临时支护方式：前探梁临时支护；机载临时支护。由于受传统临时支护结构设计影响，主要表现在支撑力不足，支护面积小，作业耗时长、工人劳动强度大、作业安全无保障，在松软破碎围岩条件差的条件下无法进行超前临时支护[2]。近年来已经造成很多起掘进工作面冒顶片帮事故的发生，影响了煤矿工人的生命安全和掘进生产的正常进行，严重限制了生产效率的提高。因此，传统的临时支护方式已不能满足当今安全快速高效掘进生产的需要，研制适合地质条件，支撑力强、支护面积大、作业时间短、安全系数高的临时支护装置具有非常重要的意义。

1 超前支架结构设计

为了解决巷道掘进工作面临时支护的问题，而研制了一种新型超前支护装置(ZJC2×1040/30/42)，该超前支架解决了传统临时支护存在的诸多问题。同时，在巷道掘进作业过程中，该超前支护装置可以实现无支护、临时超前支护、永久性支护等工艺过程的无缝衔接过渡，大大缩短了围岩开挖后空顶现象的时间，可以将围岩的变形尽可能地减小，防止冒顶片帮事故的发生。在地质条件良好的情况下甚至可以实现连续掘进与连续超前临时支护作业，很大程度上提高了采煤的正规循环率。

图1、图2分别为超前支架的立面图和俯视图。该超前支护装置主要由2部分构成，分别为金属结构件和液压系统。其金属结构件主要有：顶梁、横梁、伸缩梁、前后连杆、上下连杆等组成。液压控制系统主要包括：液压伸缩立柱、液压伸缩梁、移架千斤顶以及液压控制元件和液压辅助元件。超前支架各结构件之间采用螺栓、销轴链接。各管路之间采用U型卡、快速接头等连接，保证了超前支架安装与拆卸维护的方便[3]。其主要技术参数如表1所示。

图1 ZJC2×1040/30/42型超前支架立面图

图2 ZJC2×1040/30/42型超前支架俯视图

型 号ZJC2×1040/30/42适应巷道倾角/(°)12支架高度/mm3000～4200额定工作阻力/kN1040初撑力/kN456平均支护强度/MPa022对底板比压/MPa034支架中心距/m外侧47，内侧416运输外型尺寸/(m×m×m)最大45×035×03

超前支护装置采用多柱支撑，整体框架式结构，强度高、稳定性好、初撑力小易于顶板控制。同时该装置采用整体铰接排式顺梁，作业过程中具有很好的接顶性，能及时支护掘进后新暴露的顶板，顶板的完整性得到了保护。并且该装置全部采用液压式操作，响应速度快、移架步距大，可适应当前临时支护过程中时间和空间上的需求。

2 超前支架与巷道围岩相互作用

随着巷道的开挖与支护，构成支架与围岩的一个相互作用系统。其中围岩自身具有很强的自承载能力，当巷道开挖后，围岩承受着主要的压力[4]。同时在围岩与支架的相互作用过程中，二者对于岩层压力的分配是变化的，当围岩自身承受岩层压力越多，则支架承受压力越少。当地质条件较好时，巷道掘进后围岩尚处弹性变形阶段，此时围岩自身将主要承受岩层压力。当部分岩体转化为塑性变形阶段后，支架将承载部分压力，但此时塑性变形阶段的围岩仍具有一定的支撑力。因此，围岩的自承载能力不能被忽略。在巷道支护过程中要充分利用围岩自身承载力，这样才能达到经济并且良好的支护效果[5]。

巷道在未被开挖前，由于自重和构造应力的影响，围岩处于三向应力平衡状态[6-7]。当巷道掘进后，三向应力平衡状态遭到破坏，围岩内部应力将重新分布[8]。由于开挖形成采空区，暴露一侧的围岩应力减为零，围岩由之前的三向应力平衡状态转变为二向应力状态，围岩强度急剧下降，如果此时超过围岩的自身承载能力且支架不能及时提供足够的支撑力，则围岩将由暴露一侧的表面延伸至内部发生破坏，形成冒顶事故的发生[9]。所以提高围岩开挖后第三向应力水平具有非常重要的意义。而超前支护装置具有强度高、支护面积大、易操作等特点，能及时提高巷道开挖后第三向应力水平，从而使开挖后的巷道保持稳定状态，防止冒顶事故的发生。图3为超前支护装置在巷道开挖中的作业过程，实现了综掘机掘进、超前临时支护等工艺过程的无缝衔接。

图3 ZJC2×1040/30/42型超前支架作业示意

3 工程实例分析

潞安集团王庄煤矿位于山西省长治市。此超前支架在王庄煤矿7103工作面进行了工业性试验，该工作面所掘煤层为沁水煤田3#煤，在本巷道工作面范围内，煤层厚度稳定在6.8 m左右。针对7103工作面所采用的ZJC2×1040/30/42型超前支架装置的技术参数，选取尺寸为5.0 m×4.0 m的巷道进行超前支架支护，分析在此临时超前支护作用下巷道围岩变形的规律。

图4、图5所示的为巷道在使用超前支护装置及无支护作用下的巷道围岩塑性区破坏图。根据图4所示的超前支架作用下的围岩塑性区破坏图可知，采用超前支架对巷道围岩进行支护，只有在巷道顶板位置出现了拉伸破坏，并且在两帮以及底板部位都出现了弹性区域。根据图5未使用临时超前支护装置作用下的巷道围岩塑性区破坏图可知，巷道顶底板以及两帮都发生了塑性破坏，顶底板破坏深度分别为1.0 m，1.0 m。两帮受到的破坏影响最为严重，破坏深度达到了1.5 m。根据图4、图5对比可知，在使用超前支护装置的作用下，围岩的稳定状态得到了极大保障，对于控制围岩变形具有非常积极的作用。

图4 超前支架作用下围岩塑性区破坏场分布

图5 无支护作用下围岩塑性区破坏场分布

图6至图9分别给出了巷道在使用超前支护装置及无支护作用下的巷道顶板、底板以及两帮变形量对比图。根据图中曲线可知，采用超前支架对巷道顶板围岩进行支护，其顶板最大位移量为34.83 mm，而在无支护条件下，其最大位移量为46.54 mm，其最大位移量减小了25%。而对于两帮位移及巷道底鼓量，其位移量减小量不明显。由于采用超前液压支架约束了巷道顶板及底板的位移，使得巷道两帮围岩结构发生了一定的变形，相较于无支护条件下来说，其两帮位移量有所增加。但是，从结果来看，这种增加量较小。

图6 超前支架及无支护作用下顶板下沉量对比

图8 超前支架及无支护作用下左帮变形量对比

图9 超前支架及无支护作用下右帮变形量对比

巷道7103工作面位移监测如图10所示，由图10可以看出，观测的7103工作面运巷表面位移具有以下规律：在巷道掘进后的10 d内顶底板以及两帮表面移近量迅速增长，其顶底板表面位移的移动速度为3.7 mm/d，两帮围岩表面移近速度为4.9 mm/d。顶底板以及两帮围岩表面移近量保持增长45 d，在45 d后其围岩变形趋于稳定，顶底板的移近量保持在57 mm左右，两帮的移近量保持在84 mm左右，围岩的变形速率低于0.15 mm/d，围岩变形受到了有效控制。

图10 巷道表面监测曲线

经过核算，超前支护装置在整个工业性试验期间实现安全生产，没有出现任何安全事故，巷道掘进正规循环率提高10%以上，巷道掘进成本降低18%左右，掘进成本至少降低1 215元/m。

4 结 论

(1) 超前支护装置具有可靠性高、结构简单、支护强度大、稳定性好、适应能力强等特点。

(2)在使用该装置条件下可以实现无支护、临时超前支护、永久性支护等工艺过程的无缝衔接，提高了采煤的正规循环率，取得了很好的经济效益。

(3)通过数值模拟和现场监测数据表明，采用超前液压支架对巷道围岩进行支护，对于提高巷道开挖后第三向应力水平具有积极的作用，对于稳定巷道围岩结构具有重要意义。

(4)应用超前支护装置的工作面，安全环境得到了极大改善，工人在有保护的顶板条件下工作，不仅增强了工人的安全感，同时也提高了工作效率。

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(责任编辑 石海林)

Forepoling Device for Fully Mechanized Roadway Heading and Its Application

Lu Zhi1Zhu Jianming1Hu Yu2Wang Yu3

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineer,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China；2.LiaoningTiananMiningTechnologyLimitedCompany,Fushun113122,China；3.Lu'anGroupWangzhuangCoalMineChangzhi046031,China)

In order to fully avoid the accidents in mechanized work face,more and more attention is paid on the forepoling.However,the traditional temporary forepoling has many disadvantages,such as lack of the support force,less support area,longer operating time,higher labor intensity and lower security.It does not adapt to the characteristics of surrounding rock deformation.The newly-developed advanced forepoling is applied to make verification,combining the on-site industrial tests and the FLAC numerical simulation.The results show that the new forepoling device has a feature of reasonable support structure,and easy operation.It has a positive effect on improving the stress level in third direction after excavation,and can be used to make a perfect process transition from no support to temporary forepoling in the tunnel excavation and improve the normal recycling rate of the mining.In addition,the application of forepoling in the working face improves the environment security,and also increases the working efficiency.A good supporting effect and economic benefit has been achieved by applying this forepoling in Wangzhuang Coal Mine in a whole industrial test.So the forepoling can completely meet the needs of safe production.

Forepoling,Deformation of surrounding rock,Interaction of surrounding rock and support

2014-10-04

吕 志(1989—)，男，硕士研究生。

TD353

A

1001-1250(2015)-02-045-04