综采工作面车载式超前无反复支护工艺研究

韦建龙

(中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006)

《煤矿安全规程》规定：综采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，且加强支护巷道长度不得小于20m”[1]。超前支护有效防止巷道超前支护段冒顶事故的发生，确保工作面的安全高效生产，提高煤矿生产的安全性[2-4]。超前支架的适应性和稳定性是超前支护质量和工作面推进速度的重要决定因素。随着煤矿大采深综采工作面的发展，开采强度大、推进速度快、工作面超前矿压显现剧烈等现状对超前支护支架的移动速度、支护方式以及支护强度提出更高要求[5-7]。

世界主要采煤国家围绕减人增效、降低成本，积极开发应用新技术致力于研制高性能、高可靠性、自移式重型液压支架的研制。1954年英国首先研制出垛式液压支架，开辟了采煤设备支护工艺的技术革命；20世纪60年代苏联研制出OMKT型四连杆掩护支架，解决支架端距变化问题；1980年西德研制出最大高度6m的掩护支架，提高生产能力；1984年英国原道锑公司研制出微机控制液压支架；美国高产高效工作面两柱式掩护支架最大工作阻力达9800kN，使用寿命8～10a；澳大利亚尤兰矿平均工作阻力7640kN两柱掩护支架，创造了有史以来日产3.41万t的最高记录[8]。我国煤矿井下超前支护工艺发展正在从早期垛木架支护、单体支护逐步向机械程度高、综合性能完善的超前支架支护工艺进行转变，全国千万吨级矿井已全面采用超前支架支护，整体形成“单体柱为主，超前支架为辅，积极倡导大力发展新一代高端智能化支护装备”的局面[9，10]。尽管我国支护工艺正在迈入半机械化支护时代，常规锚固支护的局限性，厚顶煤回采巷道围岩破坏机理及锚固支护原理有待进一步研究[11-13]；此外，单体柱支护劳动强度大、超前液压支架移动阻力大、移架速度慢、反复支撑对顶板破坏性大的问题任然是我国煤矿超前支护工艺亟需解决的难题[14-16]。引进先进技术，设计研发高性能的自动化支护装备，实现矿井生产过程智能化、高产高效是必然趋势[17-19]。

1 超前无反复支护工艺研发背景及支护设备设计

1.1 工艺研发背景

同煤集团塔山矿煤层为典型合并煤层，煤层厚度大、结构复杂、顶板岩性差异大。以8102工作面为例，埋深418～522m，顶板抗压29～60MPa，煤层平均厚度16.8m，工作面运输巷5.5m×3.5m，回风巷5.3m×3.5m，巷道采用锚梁网超前支护。根据文献[20]对工作面的支架阻力监测，以及采用微地震监测系统及地面钻孔电视对工作面顶板的来压显现规律研究以及文献[21]采用超前工作面高压预注水压裂和软化顶板法对纵放开采强矿压规律特性研究分析，顶板来压峰值45MPa时，大部分顶板已发生破坏，巷道超前支护段顶板平均移进量20～35cm，局部巷道最大变形达50cm，当工作面推进异常或推进速度较慢时，顶板发生回转下沉，产生破碎漏冒区，二次支护时顶板频发局部垮落现象，增加了支护过程中危险事故的发生[20]。

1.2 工艺功能特性

为解决超前支护中对顶板的频繁反复支撑造成顶板破坏以及局部漏冒型巷道直接顶板易风化最终形成冒落拱的安全问题[22-24]，中国煤炭科工集团太原研究院有限公司在分析研究现有超前支护工艺的基础上，提出一种用于综采工作面运输、回风巷的超前无反复支护工艺，该套工艺具有如下特性：

1)支护叠加性：煤矿巷道可以在保持现有锚杆、锚索支护的情况下直接叠加该套工艺进行复合支护，确保已有支护的完好性，在现有支护力的基础上再叠加一个支护力，对预防和抵抗巷道顶板、围岩变形起到积极作用。

2)支护独立性：该工艺多架单跨支撑装置相互联系又相互独立。支撑时，多架单跨支撑装置通过紧链器连接成为一个整体支架共同分担顶板来压；移架时，支架联接分开后相互独立，每组支架升架、降架、移架互不干扰。

3)支护无反复性：移架时，支架专用车将靠近综采面的单组支架降架回落，其余支架保持不变，支架专用车将支架转载搬运到超前支护段最前端后进行升架支护，跟随综采面向前推进依次循坏支护，确保同一处顶板始终只进行一次撑顶支护，避免反复支撑顶板，降低支护过程对顶板的破坏程度，提高支护安全性。

1.3 工艺成套装备设计

超前无反复支护工艺成套装备主要由两柱框架式单跨支撑装置和专用支撑装置搬运车组成。单跨距支撑装置作为承载主体，主要用于巷道支护；专用搬运车用于支架搬运和支架升架、降架过程中提供高压乳化液介质。

1.3.1 支撑装置搬运车设计

专用支撑装置搬运车(如图1所示)主要由升降平台、车载乳化液泵站、行走系统、控制操作平台等几部分组成。

图1 专用支撑装置搬运车

车辆采用整体式结构，外形尺寸能够根据巷道尺寸进行可变设计，配备多功能原地滑移转向系统，既可以实现不同半径转弯，也可在狭窄空间内实现原地转向，最大限度降低巷道空间尺寸对车辆运行的限制；车辆集成车载式升降平台，平台安装有卡槽机构，单组支撑支架通过卡槽机构与升降平台之间限位锁死，确保单组支架始终与举升平台可靠的紧固连接，全程机械化实现单组支架的搬运移动、升架触顶、降架动作，保证支护过程中安全性的同时大大提升支护效率；车辆集成有乳化液泵站系统，支架撑顶、降架过程该系统可以方便、快捷、高效地为支架立柱油缸供给乳化液，结合巷道顶板来压特性通过乳化液泵站系统溢流阀设定压力，精准实现支架支撑力与顶板压力的切合性和跟随性，有效提升了超前无反复支护工艺的安全性。车辆系统参数表见表1。

表1 车辆系统参数表

1.3.2 单跨支撑装置设计

单跨支撑装置采用两柱框架式结构，主要由立柱、横梁、防倒链、液压快插系统组成(如图2所示)。

图2 两柱框架式单跨支撑装置

两柱门式结构支架结构简单，便于拆卸，支撑力大，同时也方便运输；窄型横梁结构避免支撑过程破坏顶板锚杆(索)；支架横梁两侧布置两条防倒链和紧链器，在支护过程中前后相邻的支架通过防倒链相互相连形成一个整体，棘轮式紧链器拉紧链条使相邻支架连接链条之间存在一定的预紧力，避免支架倾斜，提升安全性。

支架初撑阶段，支架顶梁接触巷道顶板，车辆乳化液泵系统向支架立柱供液，立柱内液体压力逐渐上升到泵站设定压力时，通过反馈信号控制乳化液泵卸荷，停止高压乳化液体输出，拆卸连接管路，回落升降平台，完成单组支架初撑接顶。以同煤塔山矿8102工作面为例，由经验公式计算其回风巷支护强度为：

q>HγgB×10-2/(k-1)cosα

(1)

式中，q为支护强度；H为工作面采高，由于赋存煤层厚度存在差异，在初始计算时，可近似用巷道高度表示工作面平均采高，H=3.5m；γ为顶板岩石容量，一般取γ=2.5t/m3；k为顶板破碎常数，取1.25；g为顶板周期来压不动载系数，与顶板岩石性质有关，取g=1.3；B为附加阻力系数，B=1.5；α为巷道平均倾角，取α=7°。

则巷道支护强度为：

q=3.5×2.5×1.2×1.5×1.3×

10-2/(1.25-1)cos7°=0.65MPa

采用目前教材上常用的岩重法支护强度计算公式进行校核：

qH=NHγ

(2)

式中，qH为支护强度；N为支架载荷相当采高岩重的倍数，中等稳定顶板以下国内取N=6～8；H为工作面采高，取H=3.5m；γ为顶板岩石密度，取2.5t/m3。

则：qH=(6～8)×3.5×2.5×103×10=0.5～0.7MPa。

由此可见按照经验式(1)计算支护强度具有合理性。

支架初撑力的确定：

F=Sq

(3)

式中，S为支架顶梁接触面积，S=1.5m2；

则支架初撑力F=0.65×1.5=975kN。

1.3.3 超前支护距离确定

根据文献[20]中所述该矿工作巷顶板来压监测结果，受采动影响在距离工作面60m处顶板来压明显，越接近采面压力越大，超前支护最佳支护范围不少于60m，因此，确定该矿综采面超前支护范围为80m。根据巷道支护强度计算，单元式超前支架支护间距1.5m，布置超前支架数量55组。

2 超前无反复支护工艺流程

根据超前无反复支护原理，总结其支护工艺流程如下：单跨支撑装置纵向布置在回风、工作巷顶板两排锚杆(锚索)之间，避免支撑时破坏顶板锚杆、锚索。工作巷无反复支撑成套装备布置如图3所示。多组支架之间通过棘轮锁死机构连接，通过一个手动把手可以方便、快捷地实现两组支架之间紧链器连接机构的安装、拆卸。每组支架顶梁两侧均加装一组均衡液压缸，用来抵消顶板变形后支架与巷道顶板接顶面不平，撑顶过程中支架易发生偏斜现象。

图3 工作巷无反复支撑成套装备布置图

随着综采面推进，需要移架时，驾驶专用支撑装置搬运车移动到支架底，升降平台的旋转机构卡槽对准支护装置横梁中部限位槽，操控升降平台升起，至横梁限位槽落入卡槽后，启动车载乳化液泵站系统，操作支架控制多路阀实现支架支撑油缸立柱收缩，当支架的立柱完全收回后，控制升降平台回落至最低位置，控制升降平台旋转机构旋转通过卡槽机构将支架限位夹紧，通过平台上的旋转夹紧装置使支架与车辆轴线方向保持相对位置不变，单组支架降架回撤工作完成，驾驶车辆沿工作巷将回收支架转载运输至超前支护段巷道最前端，移架示意如图4所示。

图4 移架示意图

支架搬运车将支架搭载搬运到超前支护段最前端需要支护的顶板下方后，操作车载升降平台上的旋转机构将支架旋转至与车辆轴线方向相互垂直的位置，操作举升平台上升直至支架顶梁与巷道顶板接触，启动车载乳化液泵站系统向支架立柱油缸内注入高压乳化液，支架立柱油缸活塞杆逐渐伸出完成支架撑顶触底，持续注液同时观察压力表示数，待立柱油缸内流体压力上升到预定压力值后关闭乳化液系统，控制举升平台回落，完成单组支架降架→搬运→升架的无反复支撑循环工艺，支架自动支护示意如图5所示。

图5 支架自动支护示意图

3 先进性

与现有超前支护工艺相比，超前无反复支护工艺具有如下先进性：

1)支护能力强，属于主动支护，无反复支撑方式避免了对巷道顶板的多次支撑，降低了顶板发生破碎、垮塌的概率，提高了支护工艺安全性；

2)单跨支撑装置采用两柱框架式结构，具有很好的让压特性，能与巷道压力相适应；

3)系统跟随着综采工作面推进，可以向前快速移动，满足高产高效工作面的进度要求；

4)支撑装置顶梁接触面可根据顶板形状来调节，具有良好的接顶性；

5)无需人工降架、搬运、升架，大幅降低了工人劳动强度，提高了工效，自动化程度高，生产效率高。

4 工程应用

国内首套回风巷超前无反复支撑成套装备于2018年1月在同煤集团塔山煤矿8105综采工作面进行工业性试验(如图6所示)，完成55组支架400多次循环支护。该工艺支护设备支护强度大、推进速度快、自动化程度高，作业人员数量由4人减少到1人，使用效果良好，达到减人化作业目标，截止目前该套工艺装备已与同煤马道头矿、中煤塔山、宁煤等矿签订采购合同。

图6 现场使用图

5 结 语

本文针对中厚煤层综采工作面超前支护工艺存在反复撑顶易造成顶板破碎、作业人员多、劳动强度大等问题，基于同煤集团塔山煤矿中厚煤层综采面顶板来压显现规律，结合理论计算设计研发了一种新型车载式超前无反复支护工艺设备，并在塔山矿完成了工业性试验。试验表明：该工艺有效避免了反复撑顶现象，降低了顶板发生破碎、垮塌的概率，提升了超前支护工艺安全性；工艺成套支护设备支护强度大、推进速度快、自动化程度高，支护作业人员数量减少70%，实现超前支护机械化，验证了该工艺的减人化作业优势和先进性，为发展创建具有“本质安全矿山、高效矿山、清洁矿山”特征的新型智慧矿山提供有效途径。