7 m大采高综采面顺槽超前支护方案的优化

李瑞群

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

在综采工作面回采过程中，两顺槽超前支护段始终处于应力增高区，该区域的顶板控制十分关键，一旦超前支护不到位就有可能发生冒顶事故。因此，为了保证顶板安全，必须对该区域进行超前支护。《煤矿安全规程》也明确规定采煤工作面所有安全出口与巷道连接处超前压力影响范围内必须加强支护，且加强支护的巷道长度不得小于20 m。大柳塔煤矿是神东煤炭集团的骨干矿井，在日常管理中十分重视综采面两顺槽的超前支护工作，在超前支护的形式上采取过单体液压支柱支护、单体密集支护、超前组合液压支架支护、综采面液压支架等多种支护方式，这些支护方式各有其特点和适用条件，如何根据工作面的具体矿压显现强烈程度[1]，确定合理的超前支护方式，对于保证两顺槽超前支护段的顶板安全，具有重要意义。本文就通过对7 m大采高综采面两顺槽超前支护段不同支护形式进行对比分析，得出不同支护方式的优缺点及适用条件，便于超前支护方案的优化。

1 综采工作面超前压力形成的原因及影响

综采工作面煤炭采出后，采空区上方岩体的压力要向周围煤体内转移，产生应力集中。在煤壁前方一定区域内形成应力增高区，一般情况下，超前应力增高区分布范围为到几十米，其中最大峰值距离煤壁向前约2～10 m，工作面超前压力分布情况示意图如图1所示。

图1 采煤工作面超前压力示意图

超前压力对于煤炭开采既有有利的一面，也有不利的一面。有利的一面是在超前压力的作用下，煤壁的煤体受压破碎，有利于煤的破落[2-3]。不利的一面就是两顺槽超前段的顶板控制困难，一旦支护不到位，可能发生冒顶或片帮[4-5]事故。

2 综采工作面两顺槽超前支护的形式

综采工作面两顺槽超前支护的形式较多，常用的支护方式有单体液压支柱支护、超前组合液压支架支护和综采面液压支架进行支护等3种，现分别对这3种超前支护形式进行介绍。

2.1 单体液压支柱支护

单体液压支柱支护是矿井早期常用的一种超前支护方式。这种支护方式为“点”支护，支护强度小，对顶板的支护效果差，并且随着工作面的推进，单体需要人工不断前移，劳动强度大，在作业过程中也存在一定的安全风险。采用单体液压支柱支护时，为了保证支护效果，一般要求单体支柱的行程不小于400 mm，并且穿靴戴帽。

2.2 超前组合液压支架支护

超前组合液压支架是近几年刚刚应用的一种新的支护设备，每台超前组合液压支架由前后2台支架组合而成，两架之间用推拉杆连接。相对于单体液压支柱支护，超前组合支架的工作阻力大幅提高，并且为“面”支护，支护面积大大增加。大柳塔煤矿7 m大采高综采面采用的ZFDC35400/27/47型超前支护组合架参数见表1。

表1 ZFDC35400/27/47型超前组合支架主要技术参数表

2.3 综采面液压支架支护

综采面液压支架支护就是利用综采面中部液压支架放置在两顺槽超前支护段进行顶板支护，这种支护方式对顶板的支护同样是“面”支护，工作阻力更大，而且超前支护的范围也可以通过增加支架数量而变得更长。各液压支架之间用链条连接，最前面的第1台液压支架用自身的推拉杆，通过起底和拉架操作实现前移。大柳塔煤矿常用的7 m大采高综采面ZY20000/28/55D液压支架主要参数见表2。

表2 ZY20000/28/55D型液压支架主要技术参数表

3 各种超前支护方式支护强度的计算

现以大柳塔井52301综采工作面回风顺槽超前支护为例，按照采用单体液压支柱支护、超前组合架支护和工作面液压支架支护3种情况，分别对支护强度进行计算。52301工作面回风顺槽宽6 m，高4 m，顺槽采用锚网索联合支护方式，顺槽底板施工200 mm厚的混凝土。

3.1 单体液压支柱支护强度计算

如果采用单体进行超前支护，每排支设3根单体，排距为1.5 m，支护长度21 m，需要单体45根，每根单体的支护力为90 kN，采用单体液压支柱进行超前支护示意图如图2所示。

图2 单体液压支柱进行超前支护示意图

支护设备对顶板的支护强度计算公式为

(1)

式中：p—超前支护段内单体支护对顶板的平均支护强度；n—超前支护范围内支护设备的数量；F—每单个支护设备的工作阻力；L—顺槽超前支护段长度；W—顺槽宽度。

将单体液压支柱支护的相关数据代入，计算得出单体液压支柱对顶板的支护强度p单体=0.032 MPa。

3.2 超前组合液压支架支护强度计算

如果使用ZFDC35400/27/47型超前组合支架进行超前支护，根据组合架的结构由2台架子组合而成，每台液压支架的工作阻力为17 700 kN，组合支架的支护总长度为20.5 m，单台支架顶梁长度为4.77 m，宽度为2.64 m，如图3所示。

图3 ZFDC35400/27/47型超前组合支架支护示意图

将超前组合液压支架的数据代入式(1)，计算得出超前组合液压支架对顶板的支护强度p组合架=0.29 MPa。

计算超前支护设备顶板比压(即支架顶梁的支护强度)的计算公式为

(2)

式中：P—顶板比压；n—支护设备数量；F—单个支护设备的工作阻力；l—支护设备顶梁长度；w—支护设备顶梁宽度。

将超前组合液压支架的数据带入式(2)，计算得出超前组合液压支架对顶板的顶板比压为P组合架=1.4 MPa。

3.3 综采面液压支架支护强度计算

如果采用型号为ZY20000/28/55D综采面液压支架进行支护，将4台ZY20000/28/55D液压支架按照1列摆放进行超前支护，这样超前段支护的长度为26.8 m。该液压支架顶梁长度4.7 m，支架中心距2.05 m，超前支护时2台支架之间的距离为2 m，如图4所示。

图4 ZY20000/28/55D综采液压支架超前支护

将数据代入式(1)，计算得出液压支架对顶板支护强度为：p支架=0.5 MPa。

将数据代入式(2)，计算得出液压支架顶板比压为：P支架=2.08 MPa。

4 各种支护方式的参数对比

根据以上分析和计算，得出采用单体液压支柱支护、超前组合液压支架支护和综采液压支架支护的各项参数对比表，见表3。

表3 3种支护方式对比表

5 结论

本文对7 m大采高综采面两顺槽超前支护的不同形式进行了分析和对比，分析了单体液压支柱支护、超前组合架支护和综采液压支架支护的优缺点，最后得出了在不同矿压显现程度下这3种支护方式的适用条件。

(1)一般情况下尽量不选择单体液压支柱进行支护，只有在过联巷口的位置，对联巷口的位置采用单体支柱进行支护。

(2)如果综采面两顺槽超前支护段矿压显现不是非常强烈，一般选取超前组合液压支架进行支护。

(3)如果顺槽超前段矿压显现十分强烈的时候，可以选择综采面液压支架进行支护。