深井綜放工作面沿空順槽超前支架應(yīng)用及效果

馬樹坤 周廣飛 馬曉輝

(兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 菏澤 274705)

1 原超前支護(hù)的缺點(diǎn)

趙樓煤礦原來(lái)兩巷超前支護(hù)選用ZT115200/23.5/42 型、ZT31000/23.5/45 型順槽支架及DW、DWX 系列單體液壓支柱。在生產(chǎn)中存在以下缺點(diǎn)：

（1）整個(gè)超前支護(hù)區(qū)域內(nèi)的超前支架每移動(dòng)一個(gè)步距，所有超前支架均需完成降架、移架、升架一個(gè)動(dòng)作循環(huán)，頂梁接觸區(qū)域降架時(shí)卸載，升架時(shí)加載，如此高頻率的反復(fù)支撐會(huì)嚴(yán)重破壞巷道頂板與錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)巷道頂板與錨網(wǎng)索支撐壓力拱被破壞后，會(huì)出現(xiàn)漏頂、冒頂?shù)仁鹿剩瑖?yán)重時(shí)會(huì)影響超前支架的移動(dòng)。

（2）單體支護(hù)強(qiáng)度低，支護(hù)速度慢，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，支護(hù)穩(wěn)定性差，抗擾動(dòng)與防沖能力差。

由于趙樓煤礦采深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，沿空順槽圍巖應(yīng)力大，針對(duì)上述問(wèn)題，改用ZQ5200/21.5/45 型巷道超前液壓支架，在11303（東）工作面取得了良好的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面的安全、快速推進(jìn)。

2 工作面沿空軌道順槽支護(hù)情況

2.1 工作面布置方式

11303（東）工作面井下位置西鄰11303 工作面采空區(qū)，北鄰十一采膠帶巷，南鄰FX23-2 斷層（落差20～50m），東部為未設(shè)計(jì)回采區(qū)域。工作面煤層平均開采深度-962.1m，煤層平均厚度6.7m，煤層平均傾角為8°，工作面面長(zhǎng)230m。

2.2 軌道順槽支護(hù)方式

11303（東）軌道順槽為錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護(hù)，為沿空掘巷，與11303 運(yùn)輸順槽之間留設(shè)4.5m 隔離煤柱，軌道順槽沿空段為梯形斷面，巷道上凈寬4.8m，下凈寬5.2m，巷道凈高3.8m。

軌道順槽超前支護(hù)：自煤壁向外依次采用29U鋼棚、工字鋼棚、ZQ5200/21.5/45 超前液壓支架?？傊ёo(hù)距離不少于120m。工作面自煤壁向外40m范圍之內(nèi)：采用傾向工字鋼棚（3.8m）配合單體液壓支柱支護(hù)頂板，棚距1.6±0.1m，一梁四柱支設(shè)（兩端頭各2 棵）。

工作面自煤壁向外40～80m 采用ZQ5200/21.5/45超前液壓支架。每組凈間距1.2m，前后中心距為3.2m。自煤壁向外80～120m，29U 鋼棚下采幫側(cè)距棚頭約620mm 處支設(shè)一路單體液壓支柱，排距1.6m。

2.3 超前支架的工作流程

支架由頂梁、底座、立柱抱箍、立柱等部分組成。支架底座兩側(cè)留有鉸接耳板，用來(lái)連接拉移鏈。其工作流程為：

（1）工作面推進(jìn)兩步距；

（2）將最后的支架降至最低高度，連接拉移鋼絲繩；

（3）通過(guò)自身立柱的升起拉動(dòng)鋼絲繩將支架移動(dòng)至巷道中心；

（4）去除液壓管件，使用絞車?yán)浦Ъ埽?/p>

（5）拉移至巷道前端，連接液壓管；

（6）通過(guò)自身立柱的升起，拉移鋼絲繩將支架移動(dòng)至巷道兩側(cè)；

（7）去除拉移鋼絲繩，完成超前支護(hù)的一次循環(huán)前移。

3 沿空面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)特征及超前液壓支架強(qiáng)度分析[1-3]

3.1 沿空面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)特征

受回采超前影響，工作面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)在：巖層運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大，側(cè)向巖層斷裂線向煤體深部偏移；煤柱受頂板斷裂結(jié)構(gòu)塊回轉(zhuǎn)影響，產(chǎn)生大變形，處于給定位移狀態(tài)；沿空順槽實(shí)體幫一定寬度處于屈服狀態(tài)，沿垂直方向處于給定位移狀態(tài)。此時(shí)，工作面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 沿空綜放工作面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)

3.2 力學(xué)模型

基于力矩平衡關(guān)系，且不考慮巖塊之間的鉸接關(guān)系，建立超前液壓支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算力學(xué)模型，如圖2 所示。AB 為頂板巖層觸矸線，點(diǎn)O 為頂板巖層力矩作用點(diǎn)；θ 為頂板巖層回轉(zhuǎn)角；H，T，M，B 分別為割煤厚度、頂煤厚度、直接頂巖層厚度和基本頂巖層厚度；a，z，s 分別為巷道寬度、煤柱寬度和實(shí)體側(cè)煤柱寬度；R1，R2，R3分別為區(qū)段煤柱、實(shí)體側(cè)煤柱和超前支架提供的支撐力。

圖2 力學(xué)模型

3.3 支架強(qiáng)度適應(yīng)性分析

結(jié)合11303（東）地質(zhì)參數(shù)，求得超前支架需要提供的支撐力R3=0.6MPa。

11303（東）工作面沿空順槽超前支護(hù)選用型號(hào)為ZQ5200/21.5/45 的液壓支架。具體技術(shù)參數(shù)為：支架形式為兩架一組，支撐高度為2150～4500mm，初撐力為3879kN，工作阻力為5200kN，支護(hù)強(qiáng)度為1.0MPa，滿足要求。

4 支護(hù)效果

4.1 超前液壓支架支護(hù)阻力變化監(jiān)測(cè)

在軌道順槽30#、9#超前液壓支架分別安設(shè)1組YHY60（D）礦用數(shù)字壓力表，來(lái)監(jiān)測(cè)初撐力和工作阻力的變化情況。9#支架在8 月31 日至10 月17 日共拖移三次，處于收尺點(diǎn)的距離分別為120m、169m、220m。30#支 架 在8 月31 日 至11 月17 日共拖移三次，處于收尺點(diǎn)的距離分別為144m、192m、237m。隨著工作面推進(jìn)，可知支架處于不同收尺點(diǎn)處時(shí)，支架工作阻力隨不同推進(jìn)度變化曲線，如圖3 所示。

圖3 超前液壓支架工作阻力變化曲線圖

（1）超前液壓支架與圍巖的相互作用表現(xiàn)為超前液壓支架提供一定的支護(hù)阻力以控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展和圍巖的變形，保持圍巖的穩(wěn)定。由圖可知超前液壓支架拖移后，初始為保證原巷道支護(hù)系統(tǒng)的完好，初撐力為1225kN，僅為額定初撐力的64%，隨著圍巖變形的增加，超前液壓支架工作阻力會(huì)迅速達(dá)到額定工作阻力，距工作面煤壁為40m 位置。

（2）支護(hù)阻力在距工作面煤壁40m 位置達(dá)到額定工作阻力后保持恒阻發(fā)展，隨著距離工作面愈來(lái)愈近，支架處于給定變形階段，頻繁處于卸載、增阻階段。

（3）超前液壓支架在達(dá)到額定工作阻力后，后柱工作阻力大于前柱工作阻力，距煤壁25m 開始，前柱工作阻力略大于后柱工作阻力，符合頂板下沉規(guī)律。

4.2 巷道圍巖變形統(tǒng)計(jì)

礦壓觀測(cè)采用“十”字交叉法進(jìn)行設(shè)點(diǎn)觀測(cè)。在軌道順槽設(shè)置4 組表面位移測(cè)站。1#測(cè)點(diǎn)位于收尺點(diǎn)124m 處，2#測(cè)點(diǎn)位于收尺點(diǎn)170m 處，3#測(cè)點(diǎn)位于收尺點(diǎn)210m 處，4#測(cè)點(diǎn)位于收尺點(diǎn)250m 處。觀測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

根據(jù)超前液壓支架巷道布置方式，軌道順槽工作面煤壁前方15～65m 為超前液壓支架支護(hù)區(qū)域。巷道超前130m 范圍開始產(chǎn)生變形，變形量較小。軌道順槽工作面煤壁前方65m 以外，頂?shù)滓平柯源笥趦蓭鸵平俊＿M(jìn)入支架支護(hù)區(qū)域，在超前液壓支架高支撐作用下，兩幫移近量大于頂?shù)滓平?。測(cè)站距煤壁越近，變形量逐漸增高。進(jìn)入單體支護(hù)區(qū)域后，圍巖變形速率急劇增大。支護(hù)區(qū)域巷道兩幫移近量及頂?shù)滓平肯鄬?duì)于單體支護(hù)區(qū)域均較小，說(shuō)明支架支護(hù)效果較好，能夠有效控制巷道變形。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）一次支撐式的支護(hù)方式對(duì)頂板原支護(hù)系統(tǒng)破壞性較小，工作面每推進(jìn)60m 拖移一次，避免了對(duì)頂板反復(fù)支撐，保證了巷道頂板完整性。

（2）超前支架的支護(hù)強(qiáng)度高，控頂效果好。支架高支護(hù)強(qiáng)度提高了對(duì)巷道頂板的支護(hù)能力，減小了圍巖的變形破壞，抑制了巷道斷面的收斂。

（3）與傳統(tǒng)的超前支架支護(hù)方式相比，ZQ5200/21.5/45 型巷道超前液壓支架可以有效控制沿空順槽巷道圍巖變形，有效解決了千米埋深綜放工作面窄煤柱沿空巷道的有效支護(hù)問(wèn)題，提高作業(yè)人員的安全性，加快工作面推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)深井綜放工作面安全高效生產(chǎn)。

圖4 測(cè)站圍巖變形量