柳巷煤矿回风巷道超前液压支架选型及设计

傅继龙，马 英，谢 波

(1.陕西竹园嘉原矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.天地科技股份有限公司，北京 100013；3.兖州煤业股份有限公司，山东 邹城 273500)

柳巷煤矿回风巷道超前液压支架选型及设计

傅继龙1，马 英2，谢 波3

(1.陕西竹园嘉原矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.天地科技股份有限公司，北京 100013；3.兖州煤业股份有限公司，山东 邹城 273500)

超前液压支架是维护巷道顶板支护的重要装备，根据柳巷煤矿回风巷道地质赋存条件，采用数值模拟方法分析超前巷道应力分布规律得出巷道超前支护距离及支护强度，通过现场实测得到巷道表面位移变化趋势，为柳巷煤矿回风巷道超前液压支架选型及设计提供依据。

回风巷道；超前液压支架；支架选型；数值模拟；两架一组

1 矿井概况

柳巷煤矿位于陕北榆神矿区，设计生产能力为1.2Mt/a。3号煤厚度在10.20～11.65m之间，平均厚度11.05m，煤层埋深209～321m，开采方法为综放开采，机采高度3.8m。煤层结构简单、致密，节理裂隙不发育。根据井检地质报告，3号煤层干燥抗压强度27.7MPa，饱和抗压强度19.2MPa。基本顶为灰白色块状粗粒长石砂岩，平均厚度21m；直接顶为深灰色厚层状泥岩，平均厚度4.6m。工作面回风巷道为全煤巷，巷道沿3号煤层底板布置，顶煤约6.7m，巷道设计长度约1450m，埋深在250m，煤层平均倾角0.3°。目前工作面回风巷道按优化后预留7m煤柱尺寸掘进，巷道实际断面如图1所示。通过实地考察发现顶板锚索锚杆露出较长，锚索直径为16mm，锚杆直径为20mm，锚杆之间间距为900mm，采空区侧片帮较为严重，煤壁有变形量较大现象；实体煤侧片帮较轻，偶有煤壁变形量较大现象。另采空区侧挂有多条管道，底面挖有水沟，水沟宽度300～500mm。

图1 30105工作面回风巷道断面

2 超前巷道应力分布规律分析

对煤层进行采掘活动后，采场围岩的煤体上将出现应力重新分布，在巷道顶板形成一个二次应力区，载荷传递到工作面和煤柱附近的实体煤中。位于工作面煤壁前方的支承压力成为超前支承压力，其峰值在工作面上下端部拐角处，并从工作面开始呈指数型降低，到一定距离后重回原岩应力。采动支承应力特别是超前支承应力变化规律与工作面埋深、基本顶厚度以及直接顶厚度和硬度等多种因素有关，是矿山压力显现的重要组成部分。

2.1 柳巷煤矿超前应力影响规律数值模拟

2.1.1 模拟矿井及仿真模型

数值计算模型以柳巷煤矿煤层赋存条件为背景，该矿开采3号煤层，煤层赋存稳定，工作面煤层可采性指数为1，变异系数为12.6%，为低灰、低硫、低变质的气煤。采用FLAC3D进行数值模拟分析。根据表1所示煤层顶底板情况建立数值模型并进行工作面开挖模拟，如图2所示。

表1 巷道顶底板情况

图2 数值计算模型

2.1.2 模拟结果分析

巷道开挖后其最大应力和垂直应力云图可反应巷道矿山压力显现情况，包括片帮、冒顶、底鼓，顶板下沉等。回风巷和运输巷受工作面回采影响其最大应力和垂直应力云图如图3至图6所示。

图3 运输巷最大应力

图4 运输巷垂直应力

图5 回风巷最大应力

图6 回风巷垂直应力

通过以上模拟得出如下结论：运输巷压力显现强烈区域为超前工作面8.5m，回风巷超前压力显现区域为17m；模拟得出回风巷支护强度为0.35MPa，考虑采动影响，支护安全系数取1.2，回风巷实际支护强度应不小于0.42MPa；回风巷的顶板位移量为运输巷的1.9倍。

2.2 现场实测结果分析

在距离3号煤层工作面煤壁大约90m的位置，为需超前支护的回采巷道每天进行1次观测，共进行了为期2周的连续观测，根据观测结果来分析巷道的支护状况。通过现场井下实地考察，以及观测统计数据，给出巷道表面位移随工作面推进的变化趋势，见图7。

图7 巷道表面位移变化趋势

结合井下实地观测，以及表面位移的变化趋势图，可以得到以下结论：

(1)距离工作面煤壁大约30m的位置，巷道表面开始有变形趋势出现。随着工作面的继续向前推进，大约距离煤壁20m的位置，巷道的表面位移呈现剧烈增加的趋势，顶底板和两帮的移近量增加速度比较快。工作面推过测站后，巷道的表面位移变化不太明显，有小幅的增加，推过20m后基本不再发生变化。

(2)距离工作面煤壁大约20m的位置，巷道表面位移显现明显，表明在煤壁前方20m的范围，是受到采动影响活动的区域。工作面推过测站10m范围内，巷道表面位移仍受临近工作面回采动压、以及采空区上覆岩层活动扰动的影响，顶底板和两帮的移近量呈进一步增大的趋势，但是随工作面远离，巷道表面位移基本不再受采动影响。

(3)工作面前方采动影响区域，巷道的顶底板和两帮出现了不同幅度的变形，顶底板最大变形量为41mm，而两帮的最大变形量为39mm，虽然巷道总体变形量在许可变形下限的范围内，但在观测过程中部分区域仍存在一定的片帮和冒顶发生，影响了行人和生产安全，不利于工作面的快速推进和高效支护。

3 超前液压支架支护参数确定及适应性分析

3.1 回风巷道合理架型确定

回风巷道设备比较少，使用超前液压支架后效果非常明显，可以解决传统超前支护方式安全性差、技术落后、工人劳动量大、推进速度慢、严重制约工作面推进速度的问题[1-3]。

目前使用的主要有条梁式两架一组和前后架一组结构2种。条梁式两架一组超前液压支架具有支架单件轻，便于下井，支架中间可以行人、运料的特点，该类型超前支架为两架一组整体三节式[4]。前后架一组结构型式超前液压支架稳定性好，行人、运料方便，但支架尺寸大，下井困难。

综合考虑柳巷煤矿回风巷道的地质条件及各种架型的适应性，并借鉴国内同类矿井的开采经验，确定柳巷煤矿回风巷道超前液压支架架型采用两架一组三节式。

3.2 几何参数

超前液压支架支护参数包括几何参数和支护工作参数。包括支护高度、支护中心宽度、支护长度等。为适应工作面巷道的变化、局部冒顶等情况，防止支架顶空倒架，失去支撑能力，通常选取超前支架的最大结构高度Hmax比工作面巷道净高最大值Mmax大0.3～0.6m左右[5]。即Hmax=Mmax+0.3～0.6m，对于巷道顶板条件较好、巷道冒顶和变形较小的工作面选择0.3～0.4m，对于巷道顶板条件较差、冒顶与变形较大的工作面巷道选择0.5～0.6m。

超前支护系统最小结构高度确定：对于工作面压力较大、变形较大的巷道，超前支架尽可能选择双伸缩立柱，提高超前支护系统的伸缩比，较低支架最低高度以提高支架对巷道的适应性。对于工作面压力较小、巷道变形较小、巷道断面尺寸较稳定的工作面，超前支架可选择单伸缩立柱，合理选择超前支架最低高度即可。

根据柳巷煤矿巷道参数，支架高度设计为2.5～4.5m，支架宽度3.22～4.04m，支护长度21.6m，支架型号为ZTC36000/25/45型超前液压支架，支架结构型式如图8所示。

图8 回风巷道ZTC36000/25/45型超前液压支架

3.3 适应性分析

通过综合分析确定回风巷道超前液压支架合理支护参数，并在后续工作面进行了应用实践，从井下工作面回采过程的实地观测来看，巷道顶板完整，顶板下沉量一般小于20～30mm，两帮笔直，变形量微小，没有出现片帮和冒顶事故。巷道总体变形量相较未采用超前支架减少约30%～50%，工作面每班多截割煤炭1刀以上，为工作面快速推进及安全、高效支护提供了有力保障。

4 结 论

通过上述论证，确定柳巷煤矿回风巷道超前液压支架架型采用两架一组三节式，支架结构高度为2.5～4.5m，支护强度不低于0.42MPa，超前支护距离20m为宜；在实地考察过程中发现回风巷采空区侧片帮较为严重，煤壁有变形量较大现象；实体煤侧片帮较轻，偶有煤壁变形量较大现象，在超前液压支架的实际设计中，应适当加大超前支架的支护强度，结合其他矿区使用经验，柳巷煤矿回风巷道超前液压支架支护强度取0.5MPa，支架型号为ZTC36000/25/45型超前液压支架。通过生产实践应用超前支架可有效改善巷道超前支护效果，提高工作面推进速度，为工作面快速推进及安全高效生产提供有力支撑。

[1]王国法.液压支架设计研究的新进展[M].北京:煤炭工业出版社, 1999.

[2]王国法，牛艳奇.超前液压支架与围岩耦合支护系统及其适应性研究[J].煤炭科学技术,2016,44(9):19-25.

[3]马 英.放顶煤液压支架与围岩智能耦合控制方法的研究[J].煤矿机电,2016(3):8-10.

[4]王国法，庞义辉，李明忠，等.超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系[J].煤炭学报,2017,42(2):518-526.

[5]王国法.工作面支护液压支架技术理论体系[J].煤炭学报,2014,39(8):1593-1601.

[责任编辑：施红霞]

Advanced Hydraulic Support Selection and Design in Ventilation Roadway of Liuxiang Coal Mine

FU Ji-long1,MA Ying2,XIE Bo3

(1.Shaanxi Zhuyuanjiayuan Mine Industry Co.，Ltd.，Yulin 719000，China；2.Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 3.Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Zoucheng 273500，China)

Advanced hydraulic support is an important equipment for maintain roadway roof supporting，based on geological situation of ventilation roadway of Liuxiang coal mine,advanced roadway stress distribution law was studied by numerical simulation method，and then roadway advanced supporting distance and supporting strength were put forward，the change law of roadway surface convergence was obtained by filed testing，it references for ventilation roadway advanced hydraulic supports selection and design of Liuxiang coal mine.

ventilation roadway；advanced hydraulic support；support selection；numerical simulation；two supports one group

2017-03-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.009

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2014CB046302)

傅继龙(1971-)，男，甘肃泾川人，采煤工程师，主要从事井工煤矿开采技术管理工作。

傅继龙，马 英，谢 波.柳巷煤矿回风巷道超前液压支架选型及设计[J].煤矿开采，2017，22(4)：32-34.

TD355.42

A

1006-6225(2017)04-0032-03