綜采工作面車載式超前無(wú)反復(fù)支護(hù)工藝研究

韋建龍

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006)

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：綜采工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內(nèi)必須加強(qiáng)支護(hù)，且加強(qiáng)支護(hù)巷道長(zhǎng)度不得小于20m”[1]。超前支護(hù)有效防止巷道超前支護(hù)段冒頂事故的發(fā)生，確保工作面的安全高效生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)的安全性[2-4]。超前支架的適應(yīng)性和穩(wěn)定性是超前支護(hù)質(zhì)量和工作面推進(jìn)速度的重要決定因素。隨著煤礦大采深綜采工作面的發(fā)展，開采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快、工作面超前礦壓顯現(xiàn)劇烈等現(xiàn)狀對(duì)超前支護(hù)支架的移動(dòng)速度、支護(hù)方式以及支護(hù)強(qiáng)度提出更高要求[5-7]。

世界主要采煤國(guó)家圍繞減人增效、降低成本，積極開發(fā)應(yīng)用新技術(shù)致力于研制高性能、高可靠性、自移式重型液壓支架的研制。1954年英國(guó)首先研制出垛式液壓支架，開辟了采煤設(shè)備支護(hù)工藝的技術(shù)革命；20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)研制出OMKT型四連桿掩護(hù)支架，解決支架端距變化問(wèn)題；1980年西德研制出最大高度6m的掩護(hù)支架，提高生產(chǎn)能力；1984年英國(guó)原道銻公司研制出微機(jī)控制液壓支架；美國(guó)高產(chǎn)高效工作面兩柱式掩護(hù)支架最大工作阻力達(dá)9800kN，使用壽命8～10a；澳大利亞尤蘭礦平均工作阻力7640kN兩柱掩護(hù)支架，創(chuàng)造了有史以來(lái)日產(chǎn)3.41萬(wàn)t的最高記錄[8]。我國(guó)煤礦井下超前支護(hù)工藝發(fā)展正在從早期垛木架支護(hù)、單體支護(hù)逐步向機(jī)械程度高、綜合性能完善的超前支架支護(hù)工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)變，全國(guó)千萬(wàn)噸級(jí)礦井已全面采用超前支架支護(hù)，整體形成“單體柱為主，超前支架為輔，積極倡導(dǎo)大力發(fā)展新一代高端智能化支護(hù)裝備”的局面[9，10]。盡管我國(guó)支護(hù)工藝正在邁入半機(jī)械化支護(hù)時(shí)代，常規(guī)錨固支護(hù)的局限性，厚頂煤回采巷道圍巖破壞機(jī)理及錨固支護(hù)原理有待進(jìn)一步研究[11-13]；此外，單體柱支護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度大、超前液壓支架移動(dòng)阻力大、移架速度慢、反復(fù)支撐對(duì)頂板破壞性大的問(wèn)題任然是我國(guó)煤礦超前支護(hù)工藝亟需解決的難題[14-16]。引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)高性能的自動(dòng)化支護(hù)裝備，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)過(guò)程智能化、高產(chǎn)高效是必然趨勢(shì)[17-19]。

1 超前無(wú)反復(fù)支護(hù)工藝研發(fā)背景及支護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 工藝研發(fā)背景

同煤集團(tuán)塔山礦煤層為典型合并煤層，煤層厚度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、頂板巖性差異大。以8102工作面為例，埋深418～522m，頂板抗壓29～60MPa，煤層平均厚度16.8m，工作面運(yùn)輸巷5.5m×3.5m，回風(fēng)巷5.3m×3.5m，巷道采用錨梁網(wǎng)超前支護(hù)。根據(jù)文獻(xiàn)[20]對(duì)工作面的支架阻力監(jiān)測(cè)，以及采用微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及地面鉆孔電視對(duì)工作面頂板的來(lái)壓顯現(xiàn)規(guī)律研究以及文獻(xiàn)[21]采用超前工作面高壓預(yù)注水壓裂和軟化頂板法對(duì)縱放開采強(qiáng)礦壓規(guī)律特性研究分析，頂板來(lái)壓峰值45MPa時(shí)，大部分頂板已發(fā)生破壞，巷道超前支護(hù)段頂板平均移進(jìn)量20～35cm，局部巷道最大變形達(dá)50cm，當(dāng)工作面推進(jìn)異?；蛲七M(jìn)速度較慢時(shí)，頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，產(chǎn)生破碎漏冒區(qū)，二次支護(hù)時(shí)頂板頻發(fā)局部垮落現(xiàn)象，增加了支護(hù)過(guò)程中危險(xiǎn)事故的發(fā)生[20]。

1.2 工藝功能特性

為解決超前支護(hù)中對(duì)頂板的頻繁反復(fù)支撐造成頂板破壞以及局部漏冒型巷道直接頂板易風(fēng)化最終形成冒落拱的安全問(wèn)題[22-24]，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司在分析研究現(xiàn)有超前支護(hù)工藝的基礎(chǔ)上，提出一種用于綜采工作面運(yùn)輸、回風(fēng)巷的超前無(wú)反復(fù)支護(hù)工藝，該套工藝具有如下特性：

1)支護(hù)疊加性：煤礦巷道可以在保持現(xiàn)有錨桿、錨索支護(hù)的情況下直接疊加該套工藝進(jìn)行復(fù)合支護(hù)，確保已有支護(hù)的完好性，在現(xiàn)有支護(hù)力的基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)支護(hù)力，對(duì)預(yù)防和抵抗巷道頂板、圍巖變形起到積極作用。

2)支護(hù)獨(dú)立性：該工藝多架單跨支撐裝置相互聯(lián)系又相互獨(dú)立。支撐時(shí)，多架單跨支撐裝置通過(guò)緊鏈器連接成為一個(gè)整體支架共同分擔(dān)頂板來(lái)壓；移架時(shí)，支架聯(lián)接分開后相互獨(dú)立，每組支架升架、降架、移架互不干擾。

3)支護(hù)無(wú)反復(fù)性：移架時(shí)，支架專用車將靠近綜采面的單組支架降架回落，其余支架保持不變，支架專用車將支架轉(zhuǎn)載搬運(yùn)到超前支護(hù)段最前端后進(jìn)行升架支護(hù)，跟隨綜采面向前推進(jìn)依次循壞支護(hù)，確保同一處頂板始終只進(jìn)行一次撐頂支護(hù)，避免反復(fù)支撐頂板，降低支護(hù)過(guò)程對(duì)頂板的破壞程度，提高支護(hù)安全性。

1.3 工藝成套裝備設(shè)計(jì)

超前無(wú)反復(fù)支護(hù)工藝成套裝備主要由兩柱框架式單跨支撐裝置和專用支撐裝置搬運(yùn)車組成。單跨距支撐裝置作為承載主體，主要用于巷道支護(hù)；專用搬運(yùn)車用于支架搬運(yùn)和支架升架、降架過(guò)程中提供高壓乳化液介質(zhì)。

1.3.1 支撐裝置搬運(yùn)車設(shè)計(jì)

專用支撐裝置搬運(yùn)車(如圖1所示)主要由升降平臺(tái)、車載乳化液泵站、行走系統(tǒng)、控制操作平臺(tái)等幾部分組成。

圖1 專用支撐裝置搬運(yùn)車

車輛采用整體式結(jié)構(gòu)，外形尺寸能夠根據(jù)巷道尺寸進(jìn)行可變?cè)O(shè)計(jì)，配備多功能原地滑移轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)不同半徑轉(zhuǎn)彎，也可在狹窄空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，最大限度降低巷道空間尺寸對(duì)車輛運(yùn)行的限制；車輛集成車載式升降平臺(tái)，平臺(tái)安裝有卡槽機(jī)構(gòu)，單組支撐支架通過(guò)卡槽機(jī)構(gòu)與升降平臺(tái)之間限位鎖死，確保單組支架始終與舉升平臺(tái)可靠的緊固連接，全程機(jī)械化實(shí)現(xiàn)單組支架的搬運(yùn)移動(dòng)、升架觸頂、降架動(dòng)作，保證支護(hù)過(guò)程中安全性的同時(shí)大大提升支護(hù)效率；車輛集成有乳化液泵站系統(tǒng)，支架撐頂、降架過(guò)程該系統(tǒng)可以方便、快捷、高效地為支架立柱油缸供給乳化液，結(jié)合巷道頂板來(lái)壓特性通過(guò)乳化液泵站系統(tǒng)溢流閥設(shè)定壓力，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)支架支撐力與頂板壓力的切合性和跟隨性，有效提升了超前無(wú)反復(fù)支護(hù)工藝的安全性。車輛系統(tǒng)參數(shù)表見表1。

表1 車輛系統(tǒng)參數(shù)表

1.3.2 單跨支撐裝置設(shè)計(jì)

單跨支撐裝置采用兩柱框架式結(jié)構(gòu)，主要由立柱、橫梁、防倒鏈、液壓快插系統(tǒng)組成(如圖2所示)。

圖2 兩柱框架式單跨支撐裝置

兩柱門式結(jié)構(gòu)支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆卸，支撐力大，同時(shí)也方便運(yùn)輸；窄型橫梁結(jié)構(gòu)避免支撐過(guò)程破壞頂板錨桿(索)；支架橫梁兩側(cè)布置兩條防倒鏈和緊鏈器，在支護(hù)過(guò)程中前后相鄰的支架通過(guò)防倒鏈相互相連形成一個(gè)整體，棘輪式緊鏈器拉緊鏈條使相鄰支架連接鏈條之間存在一定的預(yù)緊力，避免支架傾斜，提升安全性。

支架初撐階段，支架頂梁接觸巷道頂板，車輛乳化液泵系統(tǒng)向支架立柱供液，立柱內(nèi)液體壓力逐漸上升到泵站設(shè)定壓力時(shí)，通過(guò)反饋信號(hào)控制乳化液泵卸荷，停止高壓乳化液體輸出，拆卸連接管路，回落升降平臺(tái)，完成單組支架初撐接頂。以同煤塔山礦8102工作面為例，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其回風(fēng)巷支護(hù)強(qiáng)度為：

q>HγgB×10-2/(k-1)cosα

(1)

式中，q為支護(hù)強(qiáng)度；H為工作面采高，由于賦存煤層厚度存在差異，在初始計(jì)算時(shí)，可近似用巷道高度表示工作面平均采高，H=3.5m；γ為頂板巖石容量，一般取γ=2.5t/m3；k為頂板破碎常數(shù)，取1.25；g為頂板周期來(lái)壓不動(dòng)載系數(shù)，與頂板巖石性質(zhì)有關(guān)，取g=1.3；B為附加阻力系數(shù)，B=1.5；α為巷道平均傾角，取α=7°。

則巷道支護(hù)強(qiáng)度為：

q=3.5×2.5×1.2×1.5×1.3×

10-2/(1.25-1)cos7°=0.65MPa

采用目前教材上常用的巖重法支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行校核：

qH=NHγ

(2)

式中，qH為支護(hù)強(qiáng)度；N為支架載荷相當(dāng)采高巖重的倍數(shù)，中等穩(wěn)定頂板以下國(guó)內(nèi)取N=6～8；H為工作面采高，取H=3.5m；γ為頂板巖石密度，取2.5t/m3。

則：qH=(6～8)×3.5×2.5×103×10=0.5～0.7MPa。

由此可見按照經(jīng)驗(yàn)式(1)計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度具有合理性。

支架初撐力的確定：

F=Sq

(3)

式中，S為支架頂梁接觸面積，S=1.5m2；

則支架初撐力F=0.65×1.5=975kN。

1.3.3 超前支護(hù)距離確定

根據(jù)文獻(xiàn)[20]中所述該礦工作巷頂板來(lái)壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，受采動(dòng)影響在距離工作面60m處頂板來(lái)壓明顯，越接近采面壓力越大，超前支護(hù)最佳支護(hù)范圍不少于60m，因此，確定該礦綜采面超前支護(hù)范圍為80m。根據(jù)巷道支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算，單元式超前支架支護(hù)間距1.5m，布置超前支架數(shù)量55組。

2 超前無(wú)反復(fù)支護(hù)工藝流程

根據(jù)超前無(wú)反復(fù)支護(hù)原理，總結(jié)其支護(hù)工藝流程如下：?jiǎn)慰缰窝b置縱向布置在回風(fēng)、工作巷頂板兩排錨桿(錨索)之間，避免支撐時(shí)破壞頂板錨桿、錨索。工作巷無(wú)反復(fù)支撐成套裝備布置如圖3所示。多組支架之間通過(guò)棘輪鎖死機(jī)構(gòu)連接，通過(guò)一個(gè)手動(dòng)把手可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)兩組支架之間緊鏈器連接機(jī)構(gòu)的安裝、拆卸。每組支架頂梁兩側(cè)均加裝一組均衡液壓缸，用來(lái)抵消頂板變形后支架與巷道頂板接頂面不平，撐頂過(guò)程中支架易發(fā)生偏斜現(xiàn)象。

圖3 工作巷無(wú)反復(fù)支撐成套裝備布置圖

隨著綜采面推進(jìn)，需要移架時(shí)，駕駛專用支撐裝置搬運(yùn)車移動(dòng)到支架底，升降平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)卡槽對(duì)準(zhǔn)支護(hù)裝置橫梁中部限位槽，操控升降平臺(tái)升起，至橫梁限位槽落入卡槽后，啟動(dòng)車載乳化液泵站系統(tǒng)，操作支架控制多路閥實(shí)現(xiàn)支架支撐油缸立柱收縮，當(dāng)支架的立柱完全收回后，控制升降平臺(tái)回落至最低位置，控制升降平臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)通過(guò)卡槽機(jī)構(gòu)將支架限位夾緊，通過(guò)平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)夾緊裝置使支架與車輛軸線方向保持相對(duì)位置不變，單組支架降架回撤工作完成，駕駛車輛沿工作巷將回收支架轉(zhuǎn)載運(yùn)輸至超前支護(hù)段巷道最前端，移架示意如圖4所示。

圖4 移架示意圖

支架搬運(yùn)車將支架搭載搬運(yùn)到超前支護(hù)段最前端需要支護(hù)的頂板下方后，操作車載升降平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將支架旋轉(zhuǎn)至與車輛軸線方向相互垂直的位置，操作舉升平臺(tái)上升直至支架頂梁與巷道頂板接觸，啟動(dòng)車載乳化液泵站系統(tǒng)向支架立柱油缸內(nèi)注入高壓乳化液，支架立柱油缸活塞桿逐漸伸出完成支架撐頂觸底，持續(xù)注液同時(shí)觀察壓力表示數(shù)，待立柱油缸內(nèi)流體壓力上升到預(yù)定壓力值后關(guān)閉乳化液系統(tǒng)，控制舉升平臺(tái)回落，完成單組支架降架→搬運(yùn)→升架的無(wú)反復(fù)支撐循環(huán)工藝，支架自動(dòng)支護(hù)示意如圖5所示。

圖5 支架自動(dòng)支護(hù)示意圖

3 先進(jìn)性

與現(xiàn)有超前支護(hù)工藝相比，超前無(wú)反復(fù)支護(hù)工藝具有如下先進(jìn)性：

1)支護(hù)能力強(qiáng)，屬于主動(dòng)支護(hù)，無(wú)反復(fù)支撐方式避免了對(duì)巷道頂板的多次支撐，降低了頂板發(fā)生破碎、垮塌的概率，提高了支護(hù)工藝安全性；

2)單跨支撐裝置采用兩柱框架式結(jié)構(gòu)，具有很好的讓壓特性，能與巷道壓力相適應(yīng)；

3)系統(tǒng)跟隨著綜采工作面推進(jìn)，可以向前快速移動(dòng)，滿足高產(chǎn)高效工作面的進(jìn)度要求；

4)支撐裝置頂梁接觸面可根據(jù)頂板形狀來(lái)調(diào)節(jié)，具有良好的接頂性；

5)無(wú)需人工降架、搬運(yùn)、升架，大幅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工效，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高。

4 工程應(yīng)用

國(guó)內(nèi)首套回風(fēng)巷超前無(wú)反復(fù)支撐成套裝備于2018年1月在同煤集團(tuán)塔山煤礦8105綜采工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)(如圖6所示)，完成55組支架400多次循環(huán)支護(hù)。該工藝支護(hù)設(shè)備支護(hù)強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快、自動(dòng)化程度高，作業(yè)人員數(shù)量由4人減少到1人，使用效果良好，達(dá)到減人化作業(yè)目標(biāo)，截止目前該套工藝裝備已與同煤馬道頭礦、中煤塔山、寧煤等礦簽訂采購(gòu)合同。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)使用圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)中厚煤層綜采工作面超前支護(hù)工藝存在反復(fù)撐頂易造成頂板破碎、作業(yè)人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，基于同煤集團(tuán)塔山煤礦中厚煤層綜采面頂板來(lái)壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)合理論計(jì)算設(shè)計(jì)研發(fā)了一種新型車載式超前無(wú)反復(fù)支護(hù)工藝設(shè)備，并在塔山礦完成了工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：該工藝有效避免了反復(fù)撐頂現(xiàn)象，降低了頂板發(fā)生破碎、垮塌的概率，提升了超前支護(hù)工藝安全性；工藝成套支護(hù)設(shè)備支護(hù)強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快、自動(dòng)化程度高，支護(hù)作業(yè)人員數(shù)量減少70%，實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)機(jī)械化，驗(yàn)證了該工藝的減人化作業(yè)優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)性，為發(fā)展創(chuàng)建具有“本質(zhì)安全礦山、高效礦山、清潔礦山”特征的新型智慧礦山提供有效途徑。