綜采工作面兩巷超前支護(hù)的研究與應(yīng)用

蘇 鑫

(西山煤電集團(tuán)公司東曲礦，山西 古交 030205)

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)主要產(chǎn)煤大省機(jī)械化采煤技術(shù)高速發(fā)展，大采高、大產(chǎn)量工作面日常產(chǎn)量均以萬(wàn)噸計(jì)算，年產(chǎn)量達(dá)百萬(wàn)噸的礦井?dāng)?shù)不勝數(shù)。山西省開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展在采煤技術(shù)和設(shè)備上都取得了很大的突破，工作面單產(chǎn)、設(shè)備開(kāi)機(jī)率、工作面推進(jìn)速度、工作人員的勞動(dòng)效率更是逐步提高。但是在生產(chǎn)過(guò)程中仍存在諸多制約因素，目前，綜采工作面兩巷的超前支護(hù)大多采用單體支柱配合鉸接頂梁的支護(hù)方式，支護(hù)強(qiáng)度不夠、支護(hù)面積不大，易導(dǎo)致漏頂，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。為了保障礦井的安全，提高綜采工作面兩巷的頂板管理，需盡快推廣應(yīng)用超前支護(hù)液壓支架。

西山煤電(集團(tuán))公司東曲礦回采的28804工作面兩巷首次試用了ZTC40000/25/45型超前支護(hù)液壓支架，在安全與效益上取得了較好的效果。

1 使用單體與液壓支架的支護(hù)效果對(duì)比分析

1.1 使用液壓?jiǎn)误w支護(hù)的支護(hù)效果

綜采工作面兩巷超前支護(hù)使用液壓?jiǎn)误w支護(hù)的支護(hù)分布圖見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，綜采工作面兩巷超前支護(hù)使用液壓?jiǎn)误w，兩巷超前支護(hù)20 m，皮帶、軌道順槽超前10 m以?xún)?nèi)一梁三柱，柱距1.4 m，排拒0.8 m，10 m 以外一梁兩柱，柱距3 m，排拒0.8 m，綜采工作面無(wú)特殊情況采取本支護(hù)方式。如遇地質(zhì)構(gòu)造或者頂板破碎，在開(kāi)采過(guò)程中，若兩巷超前支護(hù)段壓力增大、頂板破碎和出現(xiàn)頂板下沉?xí)r，支護(hù)改成“一梁多柱”的支護(hù)形式(“一梁多柱”支護(hù)數(shù)量及范圍根據(jù)實(shí)際情況確定)，若頭、尾順槽頂板壓力增大、下沉范圍擴(kuò)大，應(yīng)及時(shí)擴(kuò)大支護(hù)范圍，將超前支護(hù)長(zhǎng)度延長(zhǎng)至30 m以上，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行支設(shè)，必要時(shí)全部支成“一梁多柱”的形式，若兩巷超前支護(hù)段在壓力作用下頂板破碎嚴(yán)重，則將棚距縮短為0.5 m，這樣造成綜采工作面兩巷的安全出口寬度不足，單體與單體之間還需采取防倒、防滑措施，工作量增加，單體的運(yùn)輸及打設(shè)，至少需3～4人專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)，這樣造成操作程序繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且液壓?jiǎn)误w容易泄液、回縮量大，單體空載和失效，給安全生產(chǎn)帶來(lái)一定的隱患。如遇到較為破碎的頂板，單體與頂板的接觸支護(hù)面還需增大，單體對(duì)頂板的適應(yīng)范圍較小。

1.2 采用超前液壓支架的支護(hù)效果

東曲礦綜采一隊(duì)綜采工作面采用ZTC40000/25/45型超前液壓支架，該工作面兩巷超前支護(hù)分布圖見(jiàn)圖2。

ZTC40000/25/45超前支架主要技術(shù)參數(shù)表見(jiàn)表1。

圖1 使用液壓?jiǎn)误w支柱支護(hù)的示意圖

圖2 工作面兩巷超前支護(hù)分布圖

表1 ZTC40000/25/45超前支架主要性能和技術(shù)參數(shù)表

該超前支架操作程序?yàn)?推架，工作面端頭支架推移轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)。拉架，這些工序只需要一個(gè)人完成。而單體液壓支柱，需要人工回柱、扛運(yùn)到支護(hù)地點(diǎn)進(jìn)行重新打設(shè)，至少需要2～3人，還需定期檢測(cè)支柱的壓力，單體在打設(shè)的過(guò)程中要注意單體的四個(gè)卡爪要全部卡住鋼梁，并墊上木楔防止單體滑開(kāi)，出現(xiàn)泄液的單體要及時(shí)更換，對(duì)于底板較軟的情況采用單體液壓支柱支護(hù)要穿鐵鞋，增加了維護(hù)工序和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。相比而言，超前液壓支架工序簡(jiǎn)單，提高了生產(chǎn)效率。

由圖2可以看出，該超前支架對(duì)于頂板來(lái)說(shuō)完全實(shí)現(xiàn)了面與面的接觸形式，無(wú)論是頂板破碎還是綜采工作面兩順槽過(guò)構(gòu)造，對(duì)各類(lèi)型頂板都能起到良好的支護(hù)效果。

1.3 液壓?jiǎn)误w支柱與超前液壓支架性能參數(shù)對(duì)比

對(duì)28804工作面回采過(guò)程中，兩巷受回采動(dòng)壓及工作面周期來(lái)壓影響的比較:

28804工作面蓋山厚度148～293 m。上方2#、4#煤已回采、7#煤未回采。4#～8#煤的層間距為66～81 m。頂板情況:該工作面直接頂為2.5～4.7 m砂質(zhì)泥巖，直接頂為0.7 m泥灰?guī)r，老頂為3.5 m石灰?guī)r，使用YHY60－3(A)數(shù)字壓力表檢測(cè)礦壓，并采集數(shù)據(jù)，頂板每隔50 m打設(shè)一組礦用頂板離層儀，綜合所有的工作面觀測(cè)數(shù)據(jù)，形成時(shí)間、推進(jìn)距離和阻力的相互關(guān)系，得出工作面直接頂初次跨落步距為22～30 m。兩巷只受正常壓力情況所觀測(cè)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 兩巷只受正常壓力情況所觀測(cè)的數(shù)據(jù)表

當(dāng)直接頂垮落時(shí)，工作面進(jìn)入壓力最高峰值觀測(cè)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 工作面進(jìn)入壓力最高峰值觀測(cè)的數(shù)據(jù)表

由此得出，綜采工作面直接頂周期來(lái)壓與工作面受正常采動(dòng)壓力，頂板的移近量及超前支架所受的壓力是正常采動(dòng)的2倍。超前液壓支架實(shí)際的工作阻力為:

式中:

H—未冒落偽頂、直接頂?shù)暮穸?，m;

S—超前液壓支架受力面積，m2;

γ—容重，t/m3，煤取 1.37，巖石取 2.7;

g—重力常數(shù)，N/kg，取 10。

該綜采工作面受正常回采動(dòng)壓，工作面兩巷超前液壓支護(hù)支架的工作面阻力4 500 N，對(duì)底板的比壓0.3 MPa，當(dāng)工作面直接頂周期來(lái)壓時(shí)，超前液壓支架處于峰值，超前液壓支架工作阻力為10 460 N，對(duì)底板的比壓0.65 MPa。

以28202工作面為例，該工作面與28804工作面在同一水平，頂板巖性大致相同，該工作面回采時(shí)，皮帶、軌道順槽超前支護(hù)單體為一梁三柱，根據(jù)底板的巖性從彈性變形到塑形變形的過(guò)程發(fā)生在瞬間，單體支柱穿“鐵鞋”。頂板每隔50 m打設(shè)一組礦用頂板離層儀，綜合所有的工作面觀測(cè)數(shù)據(jù)，形成時(shí)間、推進(jìn)距離和阻力的相互關(guān)系，得出工作面直接頂初次跨落步距為25～31 m。兩巷只受正常壓力情況所觀測(cè)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 兩巷只受正常壓力情況所觀測(cè)的數(shù)據(jù)表

當(dāng)直接頂垮落時(shí)，工作面進(jìn)入壓力最高峰值觀測(cè)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 工作面進(jìn)入壓力最高峰值觀測(cè)的數(shù)據(jù)表

工作面超前50 m以外受采動(dòng)影響不明顯，工作面受正常采動(dòng)壓力影響超前20 m以?xún)?nèi)，支護(hù)段根據(jù)觀測(cè)得出阻力在15～13 MPa中間占65%，當(dāng)綜采工作面直接頂來(lái)壓，兩巷超前支護(hù)單體處于峰值，支護(hù)段根據(jù)觀測(cè)得出阻力在16～18.9 MPa中間占75%。

通過(guò)以上技術(shù)參數(shù)對(duì)比，得出以下結(jié)論:

使用單體液壓支柱支護(hù)時(shí)，頂板下沉量平均值為0.6 m，而使用超前液壓支架時(shí)頂板下沉量?jī)H為0.4 m，大大降低了頂板下沉量，有效地控制頂板離層。

液壓?jiǎn)误w工作阻力最大僅為18.9 MPa，超前液壓支架工作阻力可達(dá)30 MPa，增大了對(duì)頂板的主動(dòng)支撐力，同時(shí)減小了對(duì)底板的比壓值，能夠很好地保護(hù)底板。

2 使用超前液壓支架支護(hù)的效果

1)使用超前液壓支架支護(hù)實(shí)現(xiàn)了綜采工作面兩巷超前支護(hù)自動(dòng)化，由于超前液壓支架操作機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單，從而減少了兩巷超前支護(hù)工作的維護(hù)量對(duì)回采工作面推進(jìn)速度的影響，提高了綜采工作面回采效率。

2)較液壓?jiǎn)误w支柱支護(hù)而言，使用超前液壓支架支護(hù)減少了綜采工作面超前支護(hù)維護(hù)工作量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

3)使用單體液壓支柱支護(hù)，單體與巷道底板接觸面小，容易造成單體鉆底，造成單體回撤困難，使用超前液壓支架支護(hù)，減少了工人在端頭支護(hù)工作中所存在的安全隱患，保障了工人的生命安全。

4)由于超前液壓支架支護(hù)與頂板全面接觸，極大地改善了綜采工作面超前支護(hù)段的巷道頂板圍巖條件，為工人提供寬敞工作空間，尤其是遇到綜采工作面頂板較為破碎時(shí)，使用單體液壓支柱支護(hù)，易造成工作面安全出口處頂板下沉量大，不僅制約了回采速度，同時(shí)給安全帶來(lái)隱患，而使用超前液壓支架支護(hù)極大地改善了綜采工作面回采條件，能夠很好地控制頂板，從而減少采煤工作面三角地段頂板冒頂事故。

3 結(jié)語(yǔ)

綜采工作面兩巷超前支護(hù)使用液壓支架支護(hù)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)巷道支護(hù)安全和煤礦經(jīng)濟(jì)效益有很大的提高，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，超前液壓支架將逐步取代單體液壓支柱，并且將適用于大型綜采設(shè)備的配套使用，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

［1］王金安，焦申華，謝廣祥.綜放工作面開(kāi)采速率對(duì)圍巖應(yīng)力環(huán)境影響的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006(06):32－33.

［2］倪興華.苗素軍綜放工作面端頭及順槽超前液壓支架支護(hù)技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版，2008(12):85－86.