厚煤层综放工作面超前支架研制与应用

李旭昱

(长治职业技术学院，江西 长治 046000)

我国西北部矿区赋存着大量的厚煤层，该煤层具有地质结构简单、厚度变化幅度小，瓦斯含量低、有利于实现高产高效等特点，因此该地区成为我国现代化大型矿井的集中地[1-2]。该地区许多矿井使用放顶煤工艺进行回采，相比厚煤层分层开采，该工艺所需巷道掘进量较少，对地质适应性强，可实现一次性开采十几米厚的煤层，获得了良好的技术经济效益。随着工作面综采技术装备的提高，放顶煤工作面的开采效率及安全性得到了很大的提高，然而在巷道超前支护方面目前多数矿区仍在使用传统单体液压支柱，该种支护方式从支护能力、支护高度、支护速度、自动化程度、可操作性、安全性等方面都不能适应高产高效综采面的超前支护要求，此外，这种支护方式工人的劳动强度大，回柱安全不易保障[3]，巷道传统的超前支护已经成为制约工作面高产高效的瓶颈，在很大程度上限制了综采设备高产高效能力的发挥。为解决上述问题，以某矿三盘区3403厚煤层综放工作面回风巷为工程背景，研制出了与地质条件相适应的巷道分体式超前支架组以替代传统单体液压支柱，实现了超前支护支架的自移，简化了支护程序，减轻了工人劳动强度，提高了生产效率，同时增强了煤矿生产安全性，达到了煤矿高产高效的目的，具有较好的社会和经济效益。

1 工作面概况及巷道支护情况

3403工作面为三盘区规划的第二个工作面，所采的4号煤层平均埋藏深度453m，厚7.25～12.1m，平均厚度9.12m，坚固性系数f=2～3，煤层倾角0°～6°，平均3°，煤层赋存稳定，结构相对复杂，中部夹有0～0.65m的泥岩，采用放顶煤工艺回采，其中采3m放6.12m。工作面宽200m，推进长度2542m，基本顶为细砂岩，平均厚度12.38m；直接顶为砂质泥岩或泥岩，平均厚度17.14m；底板为平均厚度7.64m的砂质泥岩。顶底板特征如表1所示。

工作面回风巷为矩形断面，净宽5.2m、净高3.6m，断面为18.72m2，采用锚杆压钢带网支护，其中顶板锚杆间排距900mm×900mm，锚索间距1.8m；帮部锚杆间排距1000mm×900mm。

表1 煤层顶底板特征

2 巷道超前支架研制

2.1 支护强度分析

结合3403综采面实际地质情况，在采动过程中巷道围岩会受到一定影响，煤质相对较软，内生裂隙发育，可将其视为散体介质，基于巷道宽度较小，具备成拱条件。依据自然平衡拱理论[5]，作用在深埋巷道顶部围岩压力为平衡拱内岩体自重，如图1 所示，图中e1，e2为巷道帮部所受水平应力，c为巷帮边缘到自然平衡拱边缘的距离。

图1 巷道围岩松动区示意

(1)

(2)

式中，a为巷道宽度的一半，取2.6m；h为巷道高度，取3.6m；φ为煤体内摩擦角，取28°。

巷道最大围岩压力可按下式计算：

(3)

式中，K1为上工作面采动残余影响系数，根据实际情况取1.6；K2为本工作面采动影响系数，取2；γ为覆岩容重，取25kN/m2。

支架工作阻力下限计算：

(4)

式中，L为支架控顶距，取27m；B为巷道宽度，取5.2m；η为支撑效率，取0.9。

将各参数代入计算得q=200.5kPa；F=31286kN。

2.2 数值模拟研究

图2为使用FLAC3D数值模拟软件所得的采动期间在工作面附近回风巷垂直应力及变形等值线图，模拟过程中在巷道支护范围内施加200.5 kPa的应力代替超前支架支护。由图可知，采动期间工作面附近回风巷两帮存在应力集中现象，最大应力值为13MPa，约为原岩应力的1.2倍，巷道顶底板出现零应力区。分析可知，巷道开掘锚杆支护完成后，巷道围岩竖向应力会重新分布：在工作面超前支架组仅承载着巷道顶板部分岩层重量，超前支架可有效承载巷道顶板传递的应力；巷道顶板最大下沉量为45mm，两帮最大水平移近量为9mm，表明采动过程中在超前支架的支护作用下巷道围岩变形量较小，能满足安全生产要求。

图2 巷道应力及变形分布等值线

2.3 支架设计及技术特征

根据上述支架支护参数及架型分析，结合3403回风巷实际工程地质情况和巷道支护参数，设计出了适应于3403工作面回风巷超前支护的3×ZQL2×5540/22/45WD型迈步分体式超前支架组，支架组主要技术参数如下：

支架型式：分体迈步式；

支护范围：约27m；

支护高度：2.2～4.5m；

工作阻力：33240kN；

支护强度：0.21MPa；

支护宽度：3.5～6.0m；

控制方式：电液控制

该支架组由对称的两排支架组成，每排3架，共6架，可实现综放工作面回风巷超前27m的机械化支护要求，支架组使用了窄型四连杆机构，设有侧护梁及防倒油缸，支护强度高，可有效防护巷道顶部变形，结构稳定，对巷道断面变化适应性强；此外，根据巷道锚杆及锚索支护特征合理设计支架顶梁，在推移过程中可有效避开锚索，有效减小了对巷道顶板的破坏。支架组采用远程电液控制系统，可根据顶板实际情况设定初撑力，实现巷道高效、自动化控制。

3 应用效果分析

本文所研发的3×ZQL2×5540/22/45WD型迈步分体式超前支架组已用于该矿三盘区3403综放工作面回风巷，目前已推进120余米，回采期间对超前支架组立柱下腔压力及巷道围岩变形情况进行了现场观测。

图3为工作面正常开采期间一周内超前支架总体压力曲线，由图可知，正常采动期间支架立柱下腔压力主要集中于15～35MPa之间，观测期间超前支架组安全阀未开启，表明该支架组可满足巷道顶板超前压力支护需求，超前支架与巷道围岩相互作用效果良好。

图3 采动期间支架立柱下腔压力曲线

在整个观测期间巷道围岩最大变形量位于工作面附近：顶板最大下沉量为68mm；底板移近量为10mm；煤壁帮最大水平变形量为16mm；实体煤帮最大水平变形量为12mm。巷道围岩变形量小，且顶板锚杆得到了有效保护，表明在超前支架支护下巷道围岩变形得到了有效控制。此外，在实际生产过程中使用分体式超前支架组后，巷道超前支架搬运工由原有的6人减少到2人，减少额度达到67%，极大地解放了劳动力，降低了工人劳动强度，同时提高了矿井技术经济效益。

4 结 论

(1)根据3403综放工作面回风巷实际地质情况，应用自然平衡拱理论分析计算，得出了适合3403回风巷超前最小支护强度为200.5kPa，支架工作阻力下限为31286kN。

(2)通过数值模拟验证表明，在理论分析所得出的支护强度为200.5kPa的超前支护条件下，巷道围岩应力分布合理，围岩变形量小，该支护强度可满足巷道超前支护要求。

(3)研发出了适应3403回风巷的3×ZQL2×5540/22/45WD型分体式超前支架组，并给出了其具体技术特征。

(4)现场实践表明3×ZQL2×5540/22/45WD型分体式超前支架组工作状态良好，满足3403回风巷超前支护要求，同时降低了对巷道顶板的反复支撑破坏作用，减轻了工人劳动强度，提高了矿井生产率。