工作面超前支架研制與應(yīng)用分析

王紹星

在煤巖體中開掘巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，巷道兩側(cè)改變后的切向應(yīng)力增高部分稱為支承壓力［1］。在工作面回采過程中，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，其上覆巖層的重量向四周的煤巖體深部轉(zhuǎn)移，從而在工作面前方形成超前支承壓力，而兩側(cè)形成側(cè)向支撐壓力。工作面兩巷的掘進(jìn)，也同樣使巷道上覆巖層重量轉(zhuǎn)移到兩側(cè)煤體上，從而在巷道兩側(cè)形成側(cè)向支承壓力。工作面前方兩巷處于工作面超前支承壓力和兩巷側(cè)向支承壓力的疊加影響區(qū)，巷道變形量大、破壞嚴(yán)重，需要采取加強(qiáng)支護(hù)和卸壓措施以防治巷道過度變形，保證工作面的正常安全回采。

目前，我國綜采工作面超前支護(hù)的方式主要是在巷道掘進(jìn)施工的錨索、錨桿、金屬網(wǎng)、鋼帶、鋼筋梯等聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用單體支柱、U型鋼支架、工字鋼金屬支架、金屬頂梁和木頂梁等聯(lián)合支護(hù)的形式。這種支護(hù)方式對(duì)于一般淺部開采工作面可以滿足支護(hù)強(qiáng)度的需求，而對(duì)于特殊情況開采，如孤島工作面和深部工作面開采則經(jīng)常不能滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求。并且當(dāng)前的傳統(tǒng)超前支護(hù)方式機(jī)械化程度還不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性一般，不能完全滿足國家對(duì)煤礦高效安全生產(chǎn)的要求。所以，設(shè)計(jì)研制具有高強(qiáng)度、高機(jī)械化特點(diǎn)，能夠控制巷道過度變形和防止圍巖沖擊的超前液壓支架，對(duì)于保證煤礦高效安全生產(chǎn)十分重要。

1 超前支架研制的技術(shù)要求

煤礦上使用的液壓支架按其對(duì)頂板的支護(hù)方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，分為支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式三種基本類型。工作面超前支架是為滿足工作面超前支護(hù)的特殊要求而發(fā)展起來的特種液壓支架，但其在結(jié)構(gòu)形式上還屬于三種基本架型［2］。而從目前已有的超前支架形式來看，超前支架大都是以掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式工作面支架為基礎(chǔ)，增加前探梁、前立柱和前底座等而成的。作為為工作面超前支護(hù)服務(wù)的特種支架，超前支架的設(shè)計(jì)必須要滿足超前支護(hù)段的特殊要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并參考相關(guān)文獻(xiàn)得出，設(shè)計(jì)兩巷超前支護(hù)液壓支架必須滿足以下技術(shù)要求：

1)支架尺寸方面。超前支護(hù)液壓支架的頂梁、前探梁和側(cè)護(hù)板能夠隨支護(hù)斷面尺寸的變化來調(diào)節(jié)，對(duì)巷道頂?shù)装逡平蛢蓭妥冃尉哂泻軓?qiáng)的適應(yīng)能力;支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足超前支護(hù)段內(nèi)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)的布置尺寸，并留有足夠的安全空間和確保足夠的行人空間。

2)支架強(qiáng)度方面。超前支護(hù)液壓支架能夠提供足夠的初撐力和工作阻力，初撐力能夠支撐起直接頂巖層重量，提供足夠的初始主動(dòng)支撐力以減小頂板下沉和防止直接頂和老頂?shù)碾x層;支架的工作阻力能夠有效地控制頂板的最大變形量，防止頂板下沉量過大影響生產(chǎn)而需人工挑頂現(xiàn)象的發(fā)生，保證工作面的高效連續(xù)生產(chǎn)。

3)支架拉移轉(zhuǎn)運(yùn)方面。隨著工作面回采，兩巷超前段不斷前移，超前支護(hù)支架相應(yīng)也需不斷向前移動(dòng)。因此，超前支架要和工作面其他設(shè)備有效協(xié)調(diào)配合，拉移動(dòng)作快速便捷，才能不影響生產(chǎn)。要求支架具有強(qiáng)的移動(dòng)能力，推移千斤頂所能產(chǎn)生的拉架力要達(dá)到超前支架總重量的3～5倍，以保證各種特殊情況下都能順利移架。

4)支架壽命方面。要具有和工作面支架相適應(yīng)的服務(wù)年限和大修周期，保證超前支護(hù)支架和工作面支架的有效配套使用。

5)支架操作方面。機(jī)械化程度高，操作簡(jiǎn)便，可取消繁重體力勞動(dòng)。操作支架時(shí)將會(huì)引起支架四周煤巖體應(yīng)力分布大的變化，煤巖體的變形破裂加劇，發(fā)生沖擊等安全事故的可能性加大。因此，超前支架要提供有效的安全保護(hù)空間，保證操作人員的人身安全。

2 超前支架現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

進(jìn)入21世紀(jì)之后，我國東部許多煤礦都進(jìn)入了開采晚期，地質(zhì)條件好的儲(chǔ)量已開采完畢，只剩一些條件差的儲(chǔ)量可以開采。在生產(chǎn)過程中巷道壓力顯現(xiàn)明顯，尤其是超前支撐段，有些煤礦已經(jīng)影響了正常生產(chǎn)和威脅工人人身安全，為巷道支護(hù)提出了更加嚴(yán)格的要求。同時(shí)，我國煤礦液壓支架研發(fā)制造能力的提高也為巷道超前支護(hù)機(jī)械化提供了條件。對(duì)于一些礦井，已經(jīng)開始和煤機(jī)廠合作研發(fā)適用于自己實(shí)際條件的超前支護(hù)液壓支架，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。下面對(duì)這些支架的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

神華集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦采用支撐掩護(hù)式超前液壓支架，其特點(diǎn)是：超前支架的各個(gè)機(jī)構(gòu)如頂梁、前探梁和側(cè)護(hù)板可隨巷道斷面的變化來調(diào)節(jié)，對(duì)巷道頂?shù)装逡平蛢蓭妥冃尉哂泻軓?qiáng)的適應(yīng)能力。和工作面支架一樣，超前支架采用柱體內(nèi)液壓來控制支架的支撐力，支架的初撐力是主動(dòng)施加的，而工作阻力則是頂板壓出來的，對(duì)頂板壓力顯現(xiàn)具有很好的適應(yīng)性。同時(shí)，支架電液控制系統(tǒng)安裝在端頭支架，支架操作工可以在端頭支架的保護(hù)下進(jìn)行移架操作，保證了工人的人身安全［3］。

義馬集團(tuán)躍進(jìn)煤礦采用門式支架+橢圓型棚進(jìn)行超前支護(hù)，不僅提供較高的支護(hù)強(qiáng)度，有效控制巷道的變形量，而且對(duì)頂?shù)装搴妥笥規(guī)投加泻軓?qiáng)的防沖擊的能力。

神華集團(tuán)小紅溝煤礦采用了鄭州四維機(jī)電設(shè)備制造有限公司制造的ZCH9030前后置式超前支護(hù)液壓支架，該支架是前置支架、后置支架互為支點(diǎn)交替邁步前移的。先降下后置支架，收前置支架、后置支架之間的推移千斤頂，以前置支架為支點(diǎn)，來移動(dòng)后置支架，反之，則可以推動(dòng)前置支架進(jìn)行前移［4］。

晉煤集團(tuán)成莊煤礦根據(jù)回采需要設(shè)計(jì)的超前液壓支架，其特點(diǎn)是，采用窄四連桿結(jié)構(gòu)，增大通風(fēng)斷面，滿足工作面通風(fēng)要求。支架頂梁由兩段箱形結(jié)構(gòu)鉸接而成，前后設(shè)置回轉(zhuǎn)前梁，具有很強(qiáng)的適應(yīng)頂板變形的能力。每臺(tái)支架均設(shè)四連桿機(jī)構(gòu)和二力桿機(jī)構(gòu)，保證支架的穩(wěn)定性［5］。

潞安集團(tuán)王莊煤礦超前支護(hù)液壓支架，有效的解決了移架問題，不再采用傳統(tǒng)單體柱似的隨著工作面回采，離工作面最近的超前支架撤下，再安裝到超前支護(hù)外側(cè)的方式。這樣使巷道頂板避免了受到超前支護(hù)液壓支架的反復(fù)支撐而變得破碎和不易維護(hù)［6］。

兗礦集團(tuán)東灘煤礦的超前支架也有效地解決了超前支架移架時(shí)反復(fù)支撐頂板的問題。其思路是將多條履帶組成一個(gè)整體的頂梁，在支架前移時(shí)采用帶壓移架，防止出現(xiàn)反復(fù)支承頂板造成頂板破碎情況的出現(xiàn)，并且提供足夠的初撐力，保證了頂板的穩(wěn)定性和完整性［7］。

在超前支護(hù)液壓支架實(shí)際應(yīng)用中，主要還存在以下不足之處：1)部分超前支架的移架方式容易造成對(duì)頂板的反復(fù)支撐，引起頂板變形嚴(yán)重和破碎，不利于巷道圍巖的維護(hù)。且由于巷道采用錨桿、錨索支護(hù)，在巷道壁會(huì)有一部分外漏，影響超前支架頂梁與巷道頂板的接觸效果。2)對(duì)于兩巷超前支護(hù)段來說，頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃瘟慷己艽?，而兩幫發(fā)生沖擊的可能性更大，要求支架具有較強(qiáng)的防護(hù)兩幫沖擊的能力。而實(shí)際的超前支架，除了義馬躍進(jìn)礦的門式支架+橢圓型棚的組合外，一般都只對(duì)頂?shù)装寰哂休^高的防護(hù)能力，側(cè)向的防護(hù)能力和穩(wěn)定性不足。3)超前支護(hù)段中放置有各種生產(chǎn)配套設(shè)備，這些設(shè)備的尺寸、位置和超前支架不易配套，不如單體支柱靈活。

3 結(jié)語

本文針對(duì)超前支護(hù)液壓支架的基本結(jié)構(gòu)形式，分析了工作面超前支護(hù)液壓支架應(yīng)滿足尺寸、強(qiáng)度、拉移轉(zhuǎn)運(yùn)、壽命、操作五方面技術(shù)要求，為超前支架研制設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，介紹了現(xiàn)有超前支架的應(yīng)用情況以及其特點(diǎn)，為其它礦井選擇超前支架提供參考。超前支架作為超前支護(hù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，在未來的生產(chǎn)實(shí)踐中將會(huì)得到更多的應(yīng)用。

［1］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：58－60.

［2］ 朱真才，韓振鐸.采掘機(jī)械與液壓傳動(dòng)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008：182－186.

［3］ 羅 文.工作面順槽超前液壓支架的研制及應(yīng)用［J］.煤炭工程，2009，11(11)：98－99.

［4］ 何 勇.超前支護(hù)式液壓支架在綜采放頂煤工作面的試用［J］.煤礦機(jī)械，2009，1(30)：188－189.

［5］ 呂 兵.成莊礦綜采工作面超前液壓支架的設(shè)計(jì)［J］.礦山機(jī)械，2011，8(39)：144－145.

［6］ 趙建敏.綜放孤島工作面順槽超前支護(hù)選型研究［J］.中國西部科技，2011，1(3)：7－9.

［7］ 潘永健，毛昌明.工作面順槽超前支護(hù)設(shè)備現(xiàn)狀綜述［J］.礦山機(jī)械，2007，4(28)：5－7.