柳巷煤礦回風(fēng)巷道超前液壓支架選型及設(shè)計(jì)

傅繼龍，馬 英，謝 波

(1.陜西竹園嘉原礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.天地科技股份有限公司，北京 100013；3.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500)

柳巷煤礦回風(fēng)巷道超前液壓支架選型及設(shè)計(jì)

傅繼龍1，馬 英2，謝 波3

(1.陜西竹園嘉原礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.天地科技股份有限公司，北京 100013；3.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500)

超前液壓支架是維護(hù)巷道頂板支護(hù)的重要裝備，根據(jù)柳巷煤礦回風(fēng)巷道地質(zhì)賦存條件，采用數(shù)值模擬方法分析超前巷道應(yīng)力分布規(guī)律得出巷道超前支護(hù)距離及支護(hù)強(qiáng)度，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到巷道表面位移變化趨勢(shì)，為柳巷煤礦回風(fēng)巷道超前液壓支架選型及設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

回風(fēng)巷道；超前液壓支架；支架選型；數(shù)值模擬；兩架一組

1 礦井概況

柳巷煤礦位于陜北榆神礦區(qū)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.2Mt/a。3號(hào)煤厚度在10.20～11.65m之間，平均厚度11.05m，煤層埋深209～321m，開采方法為綜放開采，機(jī)采高度3.8m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育。根據(jù)井檢地質(zhì)報(bào)告，3號(hào)煤層干燥抗壓強(qiáng)度27.7MPa，飽和抗壓強(qiáng)度19.2MPa?；卷敒榛野咨珘K狀粗粒長(zhǎng)石砂巖，平均厚度21m；直接頂為深灰色厚層狀泥巖，平均厚度4.6m。工作面回風(fēng)巷道為全煤巷，巷道沿3號(hào)煤層底板布置，頂煤約6.7m，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約1450m，埋深在250m，煤層平均傾角0.3°。目前工作面回風(fēng)巷道按優(yōu)化后預(yù)留7m煤柱尺寸掘進(jìn)，巷道實(shí)際斷面如圖1所示。通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)頂板錨索錨桿露出較長(zhǎng)，錨索直徑為16mm，錨桿直徑為20mm，錨桿之間間距為900mm，采空區(qū)側(cè)片幫較為嚴(yán)重，煤壁有變形量較大現(xiàn)象；實(shí)體煤側(cè)片幫較輕，偶有煤壁變形量較大現(xiàn)象。另采空區(qū)側(cè)掛有多條管道，底面挖有水溝，水溝寬度300～500mm。

圖1 30105工作面回風(fēng)巷道斷面

2 超前巷道應(yīng)力分布規(guī)律分析

對(duì)煤層進(jìn)行采掘活動(dòng)后，采場(chǎng)圍巖的煤體上將出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，在巷道頂板形成一個(gè)二次應(yīng)力區(qū)，載荷傳遞到工作面和煤柱附近的實(shí)體煤中。位于工作面煤壁前方的支承壓力成為超前支承壓力，其峰值在工作面上下端部拐角處，并從工作面開始呈指數(shù)型降低，到一定距離后重回原巖應(yīng)力。采動(dòng)支承應(yīng)力特別是超前支承應(yīng)力變化規(guī)律與工作面埋深、基本頂厚度以及直接頂厚度和硬度等多種因素有關(guān)，是礦山壓力顯現(xiàn)的重要組成部分。

2.1 柳巷煤礦超前應(yīng)力影響規(guī)律數(shù)值模擬

2.1.1 模擬礦井及仿真模型

數(shù)值計(jì)算模型以柳巷煤礦煤層賦存條件為背景，該礦開采3號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，工作面煤層可采性指數(shù)為1，變異系數(shù)為12.6%，為低灰、低硫、低變質(zhì)的氣煤。采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)表1所示煤層頂?shù)装迩闆r建立數(shù)值模型并進(jìn)行工作面開挖模擬，如圖2所示。

表1 巷道頂?shù)装迩闆r

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1.2 模擬結(jié)果分析

巷道開挖后其最大應(yīng)力和垂直應(yīng)力云圖可反應(yīng)巷道礦山壓力顯現(xiàn)情況，包括片幫、冒頂、底鼓，頂板下沉等。回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷受工作面回采影響其最大應(yīng)力和垂直應(yīng)力云圖如圖3至圖6所示。

圖3 運(yùn)輸巷最大應(yīng)力

圖4 運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力

圖5 回風(fēng)巷最大應(yīng)力

圖6 回風(fēng)巷垂直應(yīng)力

通過以上模擬得出如下結(jié)論：運(yùn)輸巷壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈區(qū)域?yàn)槌肮ぷ髅?.5m，回風(fēng)巷超前壓力顯現(xiàn)區(qū)域?yàn)?7m；模擬得出回風(fēng)巷支護(hù)強(qiáng)度為0.35MPa，考慮采動(dòng)影響，支護(hù)安全系數(shù)取1.2，回風(fēng)巷實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于0.42MPa；回風(fēng)巷的頂板位移量為運(yùn)輸巷的1.9倍。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在距離3號(hào)煤層工作面煤壁大約90m的位置，為需超前支護(hù)的回采巷道每天進(jìn)行1次觀測(cè)，共進(jìn)行了為期2周的連續(xù)觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果來分析巷道的支護(hù)狀況。通過現(xiàn)場(chǎng)井下實(shí)地考察，以及觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，給出巷道表面位移隨工作面推進(jìn)的變化趨勢(shì)，見圖7。

圖7 巷道表面位移變化趨勢(shì)

結(jié)合井下實(shí)地觀測(cè)，以及表面位移的變化趨勢(shì)圖，可以得到以下結(jié)論：

(1)距離工作面煤壁大約30m的位置，巷道表面開始有變形趨勢(shì)出現(xiàn)。隨著工作面的繼續(xù)向前推進(jìn)，大約距離煤壁20m的位置，巷道的表面位移呈現(xiàn)劇烈增加的趨勢(shì)，頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平吭黾铀俣缺容^快。工作面推過測(cè)站后，巷道的表面位移變化不太明顯，有小幅的增加，推過20m后基本不再發(fā)生變化。

(2)距離工作面煤壁大約20m的位置，巷道表面位移顯現(xiàn)明顯，表明在煤壁前方20m的范圍，是受到采動(dòng)影響活動(dòng)的區(qū)域。工作面推過測(cè)站10m范圍內(nèi)，巷道表面位移仍受臨近工作面回采動(dòng)壓、以及采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)擾動(dòng)的影響，頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平砍蔬M(jìn)一步增大的趨勢(shì)，但是隨工作面遠(yuǎn)離，巷道表面位移基本不再受采動(dòng)影響。

(3)工作面前方采動(dòng)影響區(qū)域，巷道的頂?shù)装搴蛢蓭统霈F(xiàn)了不同幅度的變形，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?1mm，而兩幫的最大變形量為39mm，雖然巷道總體變形量在許可變形下限的范圍內(nèi)，但在觀測(cè)過程中部分區(qū)域仍存在一定的片幫和冒頂發(fā)生，影響了行人和生產(chǎn)安全，不利于工作面的快速推進(jìn)和高效支護(hù)。

3 超前液壓支架支護(hù)參數(shù)確定及適應(yīng)性分析

3.1 回風(fēng)巷道合理架型確定

回風(fēng)巷道設(shè)備比較少，使用超前液壓支架后效果非常明顯，可以解決傳統(tǒng)超前支護(hù)方式安全性差、技術(shù)落后、工人勞動(dòng)量大、推進(jìn)速度慢、嚴(yán)重制約工作面推進(jìn)速度的問題[1-3]。

目前使用的主要有條梁式兩架一組和前后架一組結(jié)構(gòu)2種。條梁式兩架一組超前液壓支架具有支架單件輕，便于下井，支架中間可以行人、運(yùn)料的特點(diǎn)，該類型超前支架為兩架一組整體三節(jié)式[4]。前后架一組結(jié)構(gòu)型式超前液壓支架穩(wěn)定性好，行人、運(yùn)料方便，但支架尺寸大，下井困難。

綜合考慮柳巷煤礦回風(fēng)巷道的地質(zhì)條件及各種架型的適應(yīng)性，并借鑒國(guó)內(nèi)同類礦井的開采經(jīng)驗(yàn)，確定柳巷煤礦回風(fēng)巷道超前液壓支架架型采用兩架一組三節(jié)式。

3.2 幾何參數(shù)

超前液壓支架支護(hù)參數(shù)包括幾何參數(shù)和支護(hù)工作參數(shù)。包括支護(hù)高度、支護(hù)中心寬度、支護(hù)長(zhǎng)度等。為適應(yīng)工作面巷道的變化、局部冒頂?shù)惹闆r，防止支架頂空倒架，失去支撐能力，通常選取超前支架的最大結(jié)構(gòu)高度Hmax比工作面巷道凈高最大值Mmax大0.3～0.6m左右[5]。即Hmax=Mmax+0.3～0.6m，對(duì)于巷道頂板條件較好、巷道冒頂和變形較小的工作面選擇0.3～0.4m，對(duì)于巷道頂板條件較差、冒頂與變形較大的工作面巷道選擇0.5～0.6m。

超前支護(hù)系統(tǒng)最小結(jié)構(gòu)高度確定：對(duì)于工作面壓力較大、變形較大的巷道，超前支架盡可能選擇雙伸縮立柱，提高超前支護(hù)系統(tǒng)的伸縮比，較低支架最低高度以提高支架對(duì)巷道的適應(yīng)性。對(duì)于工作面壓力較小、巷道變形較小、巷道斷面尺寸較穩(wěn)定的工作面，超前支架可選擇單伸縮立柱，合理選擇超前支架最低高度即可。

根據(jù)柳巷煤礦巷道參數(shù)，支架高度設(shè)計(jì)為2.5～4.5m，支架寬度3.22～4.04m，支護(hù)長(zhǎng)度21.6m，支架型號(hào)為ZTC36000/25/45型超前液壓支架，支架結(jié)構(gòu)型式如圖8所示。

圖8 回風(fēng)巷道ZTC36000/25/45型超前液壓支架

3.3 適應(yīng)性分析

通過綜合分析確定回風(fēng)巷道超前液壓支架合理支護(hù)參數(shù)，并在后續(xù)工作面進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，從井下工作面回采過程的實(shí)地觀測(cè)來看，巷道頂板完整，頂板下沉量一般小于20～30mm，兩幫筆直，變形量微小，沒有出現(xiàn)片幫和冒頂事故。巷道總體變形量相較未采用超前支架減少約30%～50%，工作面每班多截割煤炭1刀以上，為工作面快速推進(jìn)及安全、高效支護(hù)提供了有力保障。

4 結(jié) 論

通過上述論證，確定柳巷煤礦回風(fēng)巷道超前液壓支架架型采用兩架一組三節(jié)式，支架結(jié)構(gòu)高度為2.5～4.5m，支護(hù)強(qiáng)度不低于0.42MPa，超前支護(hù)距離20m為宜；在實(shí)地考察過程中發(fā)現(xiàn)回風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)片幫較為嚴(yán)重，煤壁有變形量較大現(xiàn)象；實(shí)體煤側(cè)片幫較輕，偶有煤壁變形量較大現(xiàn)象，在超前液壓支架的實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)加大超前支架的支護(hù)強(qiáng)度，結(jié)合其他礦區(qū)使用經(jīng)驗(yàn)，柳巷煤礦回風(fēng)巷道超前液壓支架支護(hù)強(qiáng)度取0.5MPa，支架型號(hào)為ZTC36000/25/45型超前液壓支架。通過生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用超前支架可有效改善巷道超前支護(hù)效果，提高工作面推進(jìn)速度，為工作面快速推進(jìn)及安全高效生產(chǎn)提供有力支撐。

[1]王國(guó)法.液壓支架設(shè)計(jì)研究的新進(jìn)展[M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 1999.

[2]王國(guó)法，牛艷奇.超前液壓支架與圍巖耦合支護(hù)系統(tǒng)及其適應(yīng)性研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(9):19-25.

[3]馬 英.放頂煤液壓支架與圍巖智能耦合控制方法的研究[J].煤礦機(jī)電,2016(3):8-10.

[4]王國(guó)法，龐義輝，李明忠，等.超大采高工作面液壓支架與圍巖耦合作用關(guān)系[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(2):518-526.

[5]王國(guó)法.工作面支護(hù)液壓支架技術(shù)理論體系[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8):1593-1601.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

Advanced Hydraulic Support Selection and Design in Ventilation Roadway of Liuxiang Coal Mine

FU Ji-long1,MA Ying2,XIE Bo3

(1.Shaanxi Zhuyuanjiayuan Mine Industry Co.，Ltd.，Yulin 719000，China；2.Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 3.Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Zoucheng 273500，China)

Advanced hydraulic support is an important equipment for maintain roadway roof supporting，based on geological situation of ventilation roadway of Liuxiang coal mine,advanced roadway stress distribution law was studied by numerical simulation method，and then roadway advanced supporting distance and supporting strength were put forward，the change law of roadway surface convergence was obtained by filed testing，it references for ventilation roadway advanced hydraulic supports selection and design of Liuxiang coal mine.

ventilation roadway；advanced hydraulic support；support selection；numerical simulation；two supports one group

2017-03-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.009

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014CB046302)

傅繼龍(1971-)，男，甘肅涇川人，采煤工程師，主要從事井工煤礦開采技術(shù)管理工作。

傅繼龍，馬 英，謝 波.柳巷煤礦回風(fēng)巷道超前液壓支架選型及設(shè)計(jì)[J].煤礦開采，2017，22(4)：32-34.

TD355.42

A

1006-6225(2017)04-0032-03