莒山矿综采工作面超前支护研究与应用

2019-11-01李璐

同煤科技 2019年5期

李璐

(山西兰花集团莒山煤矿有限公司,山西晋城 048027)

回采巷道是综采工作面重要的通风、运输通道,其空间的有效维护对工作面安全生产至关重要[1-2]。工作面附近巷道超前区域围岩应力复杂,特别是对于回风顺槽而言,既受工作面超前集中应力影响又受采空区侧向应力影响,传统的单体立柱支护方式很难对巷道进行有效支护[3-4]。本文以莒山矿f3101综采面回风顺槽为工程背景,对超前支护参数进行了分析,超前支架进行了选型研究,保证了工作面回风顺槽作业空间安全。

1 工程概况

f3101工作面所采的3号煤层位于山西组下部,煤层平均埋深183.1 m,煤层厚5.5 m～8.15 m,平均厚6.18 m,煤层结构简单,含0～2层矸石。该煤层稳定可采,煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主,局部发育薄层泥岩伪顶；底板岩性为泥岩、砂质泥岩。工作面设计长度150 m,推进长度1 200 m,采用综放工艺回采,其中采2.0 m～2.5 m,放3.5 m～5.65 m,端头不放煤。工作面配套MG150/368-WD 型采煤机割煤,ZF4400/17/28 型液压支架支护,前后分别配套SGB630/180型刮板输送机运煤。

f3101工作面回风顺槽设计为矩形断面,巷道沿煤层底板掘进,掘进宽度3.2 m,净宽3.0 m；掘进高度2.6 m,净高2.5 m,巷道东部为区段煤柱,宽8 m,西部为本工作面实体煤,巷道采用锚网支护,支护参数见表1。

图1 煤层地质柱状图

表1 帮锚杆支护参数表

2 超前支护参数分析

2.1 支护强度分析

巷道开挖后岩层原有的应力平衡状态被打破,巷道围岩应力重新分布,巷道围岩物理力学性质会发生变化,根据自然平衡拱理论[5-6],巷道顶板一定范围内岩层可成拱自稳,巷道超前支架支护阻力应为平衡拱内岩体自重：

式中：f为扰动影响后围岩普氏硬度系数,取1.6；a1为自然平衡拱的最大跨度,可按式(2)计算。

式中：a为巷道宽度的一半,取1.6m；h为巷道高度,取2.6m；φ为煤体内摩擦角,取28°；

巷道最大围岩压力可按下式计算：

式中：K1为上工作面采动残余影响系数,根据矿压实测数据,取1.7；K2为本工作面采动影响系数,取1.8；

将各参数代入计算得q=151.19 kPa。

图2 巷道围岩力学模型

2.2 支护距离

《煤矿安全规程》规定,回采工作面巷道超前支护距离不低于20 m,根据以往矿压观测数据,f3101工作面回风顺槽在工作面前方25 m 范围内受材动影响急剧增大,在实际支护过程中,巷道超前支护范围不小于采动影响范围,综合分析,巷道超前支护范围取25 m～30 m。

3 超前支架选型

根据上述分析,结合f3101 回风顺槽实际支护情况,确定使用3×ZQL2×3500/15/30 型窄型分体式超前支架组进行超前支护,支架主要技术参数如下：

支架型式：分体式；

支护范围：27 m；

支护高度：1.5 m～3.0 m；

工作阻力：21 000 kN(P=39.6 MPa)；

初撑力：17 500 kN(P=30.0 MPa)

支护强度：0.24 MPa；

支护宽度：2.4 m～4.0 m；

控制方式：电液控制

该支架组由3 组6 架组成,双列分体式布置于巷道两侧,移架步距为800 mm,顶梁相邻侧装有侧翻梁。每组支架相邻两架之间,顶梁底座之间连接有防倒调偏油缸,对应底座间连接有双排推移油缸,互为支撑实现自移。支架采用窄型四连杆机构,设计有窄底座、窄连杆及掩护梁,适应回风顺槽空间运输、安装等要求,有效降低了风阻面积,各支架单元采用铰接式顶梁、前、后梁、以及挑梁结构,挑梁可旋转大于90°,提高了对巷道顶板支护的适应性。

图3 3×ZQL2×3500/15/30型窄型分体式超前支架组

4 应用效果

3×ZQL2×3500/15/30 型窄型分体式超前支架组已用于f3101 回风顺槽,目前工作面已经推进300 余米,图3 为超前支架使用期间立柱实时监测曲线,由图可知使用期间支架立柱应力基本保持在20 MPa～35 MPa之间,监测期间最大立柱应力为37.2 MPa,小于安全阀开启压力,表明支架工作阻力可以满足回风顺槽超前支护要求。此外,在实际应用过程中巷道顶板最大下沉量为92 mm,两帮最大移近量为83 mm,整个使用期间无压架现象。此外,在整个使用期间支架在反复承载过程中巷道顶板岩体基本保持完整稳定状态,顶板锚杆及锚索未受破坏。表明3×ZQL2×3500/15/30型窄型分体式超前支架可有效维护回采巷道围岩稳定,保障了工作面回风顺槽作业空间的安全。