厚煤層綜放工作面超前支架研制與應(yīng)用

李旭昱

(長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 長(zhǎng)治 046000)

我國(guó)西北部礦區(qū)賦存著大量的厚煤層，該煤層具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、厚度變化幅度小，瓦斯含量低、有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效等特點(diǎn)，因此該地區(qū)成為我國(guó)現(xiàn)代化大型礦井的集中地[1-2]。該地區(qū)許多礦井使用放頂煤工藝進(jìn)行回采，相比厚煤層分層開(kāi)采，該工藝所需巷道掘進(jìn)量較少，對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)一次性開(kāi)采十幾米厚的煤層，獲得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。隨著工作面綜采技術(shù)裝備的提高，放頂煤工作面的開(kāi)采效率及安全性得到了很大的提高，然而在巷道超前支護(hù)方面目前多數(shù)礦區(qū)仍在使用傳統(tǒng)單體液壓支柱，該種支護(hù)方式從支護(hù)能力、支護(hù)高度、支護(hù)速度、自動(dòng)化程度、可操作性、安全性等方面都不能適應(yīng)高產(chǎn)高效綜采面的超前支護(hù)要求，此外，這種支護(hù)方式工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，回柱安全不易保障[3]，巷道傳統(tǒng)的超前支護(hù)已經(jīng)成為制約工作面高產(chǎn)高效的瓶頸，在很大程度上限制了綜采設(shè)備高產(chǎn)高效能力的發(fā)揮。為解決上述問(wèn)題，以某礦三盤區(qū)3403厚煤層綜放工作面回風(fēng)巷為工程背景，研制出了與地質(zhì)條件相適應(yīng)的巷道分體式超前支架組以替代傳統(tǒng)單體液壓支柱，實(shí)現(xiàn)了超前支護(hù)支架的自移，簡(jiǎn)化了支護(hù)程序，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)增強(qiáng)了煤礦生產(chǎn)安全性，達(dá)到了煤礦高產(chǎn)高效的目的，具有較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作面概況及巷道支護(hù)情況

3403工作面為三盤區(qū)規(guī)劃的第二個(gè)工作面，所采的4號(hào)煤層平均埋藏深度453m，厚7.25～12.1m，平均厚度9.12m，堅(jiān)固性系數(shù)f=2～3，煤層傾角0°～6°，平均3°，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，中部夾有0～0.65m的泥巖，采用放頂煤工藝回采，其中采3m放6.12m。工作面寬200m，推進(jìn)長(zhǎng)度2542m，基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度12.38m；直接頂為砂質(zhì)泥巖或泥巖，平均厚度17.14m；底板為平均厚度7.64m的砂質(zhì)泥巖。頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

工作面回風(fēng)巷為矩形斷面，凈寬5.2m、凈高3.6m，斷面為18.72m2，采用錨桿壓鋼帶網(wǎng)支護(hù)，其中頂板錨桿間排距900mm×900mm，錨索間距1.8m；幫部錨桿間排距1000mm×900mm。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2 巷道超前支架研制

2.1 支護(hù)強(qiáng)度分析

結(jié)合3403綜采面實(shí)際地質(zhì)情況，在采動(dòng)過(guò)程中巷道圍巖會(huì)受到一定影響，煤質(zhì)相對(duì)較軟，內(nèi)生裂隙發(fā)育，可將其視為散體介質(zhì)，基于巷道寬度較小，具備成拱條件。依據(jù)自然平衡拱理論[5]，作用在深埋巷道頂部圍巖壓力為平衡拱內(nèi)巖體自重，如圖1 所示，圖中e1，e2為巷道幫部所受水平應(yīng)力，c為巷幫邊緣到自然平衡拱邊緣的距離。

圖1 巷道圍巖松動(dòng)區(qū)示意

(1)

(2)

式中，a為巷道寬度的一半，取2.6m；h為巷道高度，取3.6m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取28°。

巷道最大圍巖壓力可按下式計(jì)算：

(3)

式中，K1為上工作面采動(dòng)殘余影響系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況取1.6；K2為本工作面采動(dòng)影響系數(shù)，取2；γ為覆巖容重，取25kN/m2。

支架工作阻力下限計(jì)算：

(4)

式中，L為支架控頂距，取27m；B為巷道寬度，取5.2m；η為支撐效率，取0.9。

將各參數(shù)代入計(jì)算得q=200.5kPa；F=31286kN。

2.2 數(shù)值模擬研究

圖2為使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件所得的采動(dòng)期間在工作面附近回風(fēng)巷垂直應(yīng)力及變形等值線圖，模擬過(guò)程中在巷道支護(hù)范圍內(nèi)施加200.5 kPa的應(yīng)力代替超前支架支護(hù)。由圖可知，采動(dòng)期間工作面附近回風(fēng)巷兩幫存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為13MPa，約為原巖應(yīng)力的1.2倍，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。分析可知，巷道開(kāi)掘錨桿支護(hù)完成后，巷道圍巖豎向應(yīng)力會(huì)重新分布：在工作面超前支架組僅承載著巷道頂板部分巖層重量，超前支架可有效承載巷道頂板傳遞的應(yīng)力；巷道頂板最大下沉量為45mm，兩幫最大水平移近量為9mm，表明采動(dòng)過(guò)程中在超前支架的支護(hù)作用下巷道圍巖變形量較小，能滿足安全生產(chǎn)要求。

圖2 巷道應(yīng)力及變形分布等值線

2.3 支架設(shè)計(jì)及技術(shù)特征

根據(jù)上述支架支護(hù)參數(shù)及架型分析，結(jié)合3403回風(fēng)巷實(shí)際工程地質(zhì)情況和巷道支護(hù)參數(shù)，設(shè)計(jì)出了適應(yīng)于3403工作面回風(fēng)巷超前支護(hù)的3×ZQL2×5540/22/45WD型邁步分體式超前支架組，支架組主要技術(shù)參數(shù)如下：

支架型式：分體邁步式；

支護(hù)范圍：約27m；

支護(hù)高度：2.2～4.5m；

工作阻力：33240kN；

支護(hù)強(qiáng)度：0.21MPa；

支護(hù)寬度：3.5～6.0m；

控制方式：電液控制

該支架組由對(duì)稱的兩排支架組成，每排3架，共6架，可實(shí)現(xiàn)綜放工作面回風(fēng)巷超前27m的機(jī)械化支護(hù)要求，支架組使用了窄型四連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)有側(cè)護(hù)梁及防倒油缸，支護(hù)強(qiáng)度高，可有效防護(hù)巷道頂部變形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)巷道斷面變化適應(yīng)性強(qiáng)；此外，根據(jù)巷道錨桿及錨索支護(hù)特征合理設(shè)計(jì)支架頂梁，在推移過(guò)程中可有效避開(kāi)錨索，有效減小了對(duì)巷道頂板的破壞。支架組采用遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)，可根據(jù)頂板實(shí)際情況設(shè)定初撐力，實(shí)現(xiàn)巷道高效、自動(dòng)化控制。

3 應(yīng)用效果分析

本文所研發(fā)的3×ZQL2×5540/22/45WD型邁步分體式超前支架組已用于該礦三盤區(qū)3403綜放工作面回風(fēng)巷，目前已推進(jìn)120余米，回采期間對(duì)超前支架組立柱下腔壓力及巷道圍巖變形情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。

圖3為工作面正常開(kāi)采期間一周內(nèi)超前支架總體壓力曲線，由圖可知，正常采動(dòng)期間支架立柱下腔壓力主要集中于15～35MPa之間，觀測(cè)期間超前支架組安全閥未開(kāi)啟，表明該支架組可滿足巷道頂板超前壓力支護(hù)需求，超前支架與巷道圍巖相互作用效果良好。

圖3 采動(dòng)期間支架立柱下腔壓力曲線

在整個(gè)觀測(cè)期間巷道圍巖最大變形量位于工作面附近：頂板最大下沉量為68mm；底板移近量為10mm；煤壁幫最大水平變形量為16mm；實(shí)體煤幫最大水平變形量為12mm。巷道圍巖變形量小，且頂板錨桿得到了有效保護(hù)，表明在超前支架支護(hù)下巷道圍巖變形得到了有效控制。此外，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中使用分體式超前支架組后，巷道超前支架搬運(yùn)工由原有的6人減少到2人，減少額度達(dá)到67%，極大地解放了勞動(dòng)力，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)3403綜放工作面回風(fēng)巷實(shí)際地質(zhì)情況，應(yīng)用自然平衡拱理論分析計(jì)算，得出了適合3403回風(fēng)巷超前最小支護(hù)強(qiáng)度為200.5kPa，支架工作阻力下限為31286kN。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證表明，在理論分析所得出的支護(hù)強(qiáng)度為200.5kPa的超前支護(hù)條件下，巷道圍巖應(yīng)力分布合理，圍巖變形量小，該支護(hù)強(qiáng)度可滿足巷道超前支護(hù)要求。

(3)研發(fā)出了適應(yīng)3403回風(fēng)巷的3×ZQL2×5540/22/45WD型分體式超前支架組，并給出了其具體技術(shù)特征。

(4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明3×ZQL2×5540/22/45WD型分體式超前支架組工作狀態(tài)良好，滿足3403回風(fēng)巷超前支護(hù)要求，同時(shí)降低了對(duì)巷道頂板的反復(fù)支撐破壞作用，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了礦井生產(chǎn)率。