大埋深高地應(yīng)力綜放工作面超前無反復(fù)支撐單元支架應(yīng)用

鄭宗儒,焦衛(wèi)軍,劉 聰

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司 棗泉煤礦，寧夏 銀川 750001)

棗泉煤礦位于寧夏靈武礦區(qū)南部,距離銀川80 km。井田南北走向長13 km，東西傾斜平均寬約4 km，面積約56.7 km2。井田主體為東西兩翼對稱向南傾伏的背斜構(gòu)造，可采及局部可采煤層8層，二煤、十四煤為主要可采煤層。礦井地質(zhì)儲量9.65億t，設(shè)計可采儲量5.26億t，核定生產(chǎn)能力800萬t/a。

隨著礦井2煤工作面向深部開采，強采動壓力的影響仍然制約礦井的高效生產(chǎn)。近年來，礦井通過采用小煤柱沿空掘巷技術(shù)，消除了采后動壓對輔助巷的影響，解決了巷道的掘進(jìn)支護(hù)難題，但是在工作面回采期間，采動壓力的超前影響還是十分劇烈，在兩巷超前支護(hù)100 m“一梁三/四柱”鋼梁棚子支護(hù)的條件下，仍需采取起底、擴(kuò)幫和挑頂?shù)姆椒ㄌ幚聿拍鼙ＷC工作面正?；夭桑瑖?yán)重制約了采煤工作面開采效率。因此，急需有效的措施解決回采工作面超前支護(hù)的問題。

礦井2煤層變化不大，平均厚度8.1 m，煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度4.85 m，無偽頂；老頂為粉砂巖、泥巖、細(xì)粒砂巖，平均厚度8.3 m；直接底為粉砂巖(砂質(zhì)泥巖)、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖，平均厚度為7.45 m。

1 單元支架技術(shù)指標(biāo)

1.1 單元支架型號及主要特點

1) 型號：ZQ4000/19/40 型超前單元支架，含義：Z為支架；Q為超前；4000為支架工作阻力，kN；19為支架最低高度，dm；40為支架最大高度，dm。

2) 主要特點：使用兩根D250 缸徑雙伸縮立柱，簡單的扶位機(jī)構(gòu)，支架穩(wěn)定性好，保證足夠支護(hù)強度條件下，結(jié)構(gòu)更加簡單，尺寸更緊湊，具有整體性強，支護(hù)效果好和安全生產(chǎn)等優(yōu)點。無反復(fù)支撐單元支架示意見圖1。

1.2 單元支架性能參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)：支架高度為1 900～4 000 mm；支架寬度為940～1 450 mm；運輸尺寸1 950 mm×940 mm×1 900 mm；支架中心距為2 500 mm；平均支護(hù)強度約0.88 MPa；平均底板比壓約2.8 MPa；初撐力(P=33 MPa)為1 764 kN；工作阻力(P=40.8 MPa)為4 000 kN；操作方式：手動本架控制；單元支架重量：4.9 t。

2 工作面超前支護(hù)探索

2.1 超前支護(hù)設(shè)計

根據(jù)回風(fēng)巷超前頂板情況，采用單元支架與傾向棚聯(lián)合支護(hù)，輔助使用JSDB-20型絞車向前拉移單元支架，見圖2(以130203綜放工作面回風(fēng)巷為例)。

1) 工作面回風(fēng)巷超前采用單元支架與傾向鋼梁棚聯(lián)合支護(hù)頂板，長度不小于100 m；單元支架布置在回風(fēng)巷上幫側(cè)，底座距巷道上幫400 mm，中心間距2 500 mm，單元支架頂上架設(shè)2根“π”型鋼梁，鋼梁間距1 000 mm?；仫L(fēng)巷超前100 m范圍內(nèi)靠巷道下幫側(cè)每根“π”型鋼梁下打設(shè)2根單體支柱，超前30 m以外靠巷道下幫側(cè)每根“π”型鋼梁下打設(shè)1根單體支柱，靠下幫側(cè)單體支柱距下幫400 mm，中間排單體支柱距下幫側(cè)支柱800 mm，鋼梁采用3 600 mm長的7號“π”型鋼梁(“π”梁根據(jù)巷道寬度調(diào)整)，單體液壓支柱采用型號為DW35-250/110(G)或者DW45-250/110(G)的液壓單體支柱。

2) 探索應(yīng)用期間根據(jù)回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)情況由單排逐漸形成雙排單元支架進(jìn)行支護(hù)，單元支架距巷道中心線860 mm。

3) 工作面回風(fēng)巷超前外安裝1臺JSDB-20型絞車配合向前拉移單元支架，絞車布置在回風(fēng)巷距煤壁150 m外，絞車中心線與巷道中心線一致。

2.2 單元支架使用方法

1) 單元支架的安裝：采用ED25型鏟板車從地面進(jìn)行運輸下放到130203工作面回風(fēng)巷超前處，按設(shè)計要求直接安裝到位，利用D18 mm×64 mm圓環(huán)鏈將單元支架底座與鏟板車鏟板固定牢固，每車裝運1臺單元支架。

2) 輔助拉移絞車的安裝：在回風(fēng)巷距煤壁150 m處位置沿巷道中心線安裝1臺JSDB-20型絞車，經(jīng)過驗算，絞車使用D28 mm鋼絲繩，鋼絲繩鉤頭采用插接方式。絞車采用“四壓四戧”進(jìn)行固定，絞車三面懸掛金屬防護(hù)網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)下邊沿距絞車滾筒上邊沿100 mm。

3) 使用工藝流程：各項安全檢查確認(rèn)—施工前的準(zhǔn)備工作—設(shè)置警戒—按設(shè)計要求裝設(shè)單元支架—將安裝位置地坪清理平整—降單元支架—穿入“π”型鋼梁—升起單元支架—捆綁鋼梁—擺放木底鞋—支設(shè)下幫側(cè)支柱—升起支柱—捆綁柱頭—升緊單體支柱支撐力—打設(shè)下一顆單體支柱—升緊單元支架—文明生產(chǎn)，具體情況見表1。

2.3 單元支架使用探索

根據(jù)工作面回風(fēng)巷超前礦壓顯現(xiàn)情況，結(jié)合單元支架使用期間重大的時間節(jié)點，將單元支架使用探索過程分為三個階段：

1) 第一階段：回風(fēng)巷共布置40臺單元支架，現(xiàn)場以8臺支架選取1臺單元支架作為試驗支架，共選取5臺實驗支架，分別為5號、11號、17號、27號、37號單元支架，其中通過記錄5號、11號、17號、27號、37號單元支架壓力或活柱變化量，了解巷道壓力狀況。

安裝前回風(fēng)巷超前范圍已經(jīng)發(fā)生局部底鼓現(xiàn)象，且單元支架安裝前未對風(fēng)巷地坪進(jìn)行破碎，底鼓導(dǎo)致漿皮鼓起。因巷道底鼓嚴(yán)重，每次拉移單元支架時距離煤壁50 m，距離煤壁50 m范圍內(nèi)超前支護(hù)均采用“一梁三柱”的支護(hù)形式，但根據(jù)現(xiàn)場實際觀測，單體支柱鉆底嚴(yán)重，隨著工作面的推進(jìn)，煤壁附近底鼓持續(xù)增大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。

這一觀測周期內(nèi)單元支架活柱量變化范圍較小，在一個拉移觀測周期內(nèi)立柱變化量在10～90 mm之間，但單元支架上下側(cè)底鼓嚴(yán)重，為保證正常通風(fēng)及行人，采取了起底的措施。

2) 第二階段：單元支架盡可能地接近工作面煤壁，探索合適的擺放位置。結(jié)合第一階段單元支架數(shù)據(jù)分析，在距煤壁50 m前立柱變化量均在100 mm以內(nèi)，壓力變化范圍在20 MPa以內(nèi)，單元支架進(jìn)入距煤壁50 m范圍內(nèi)，單元支架因前期受壓，壓力基本接近安全閥動作壓力，壓力變化不大，變化范圍在10 MPa以內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場記錄，當(dāng)立柱下降到一定程度，立柱壓力達(dá)到安全閥動作壓力后，安全閥泄壓，泄壓后立柱壓力一般在38 MPa左右。

3) 第三階段：結(jié)合前兩階段單元支架拉移數(shù)據(jù)分析，單元支架在距煤壁50 m前立柱變化量均在100 mm以內(nèi)，壓力變化范圍在20 MPa以內(nèi)，單元支架進(jìn)入距煤壁50 m范圍內(nèi)，單元支架因前期受壓，壓力基本接近安全閥動作壓力，壓力變化不大，變化范圍在10 MPa以內(nèi)，見表2和表3。

表2 試驗單元支架情況匯總

表3 試驗單元支架情況匯總

通過數(shù)據(jù)分析，工作面超前支架距煤壁30 m左右開始拉移能夠保證回風(fēng)巷正常的回采空間，且起底的工作量相對較小。每天早班拉移2臺，逐步將單排調(diào)整為雙排單元支架支護(hù)頂板。

3 單元支架支護(hù)效果

3.1 支護(hù)效果對比

1) 由表4數(shù)據(jù)對比可以看出，ZQ4000/19/40 型單元支架對巷道頂板支護(hù)強度可以達(dá)到現(xiàn)有單體液壓支柱配合“π”型鋼梁支護(hù)強度的8～12倍。

2) 傳統(tǒng)超前架設(shè)“一梁三柱/四柱”方式支護(hù)時，支護(hù)效果不太理想，回風(fēng)巷超前頂板壓力大、巷道變形嚴(yán)重，巷道高度低、行人空間狹小，人員行走要爬行，人員通過及拉運物料十分困難，安全管理難度大。使用單元支架后，提高了支護(hù)強度，巷道頂板得到了有效的控制，保證工作面回風(fēng)巷具有滿足安全生產(chǎn)的空間。

3) 傳統(tǒng)超前架設(shè)“一梁三柱/四柱”方式支護(hù)時，由于回風(fēng)巷超前巷道變形嚴(yán)重，導(dǎo)致大量用于超前支護(hù)的單體液壓支柱和“π”型鋼梁變形、損壞，無法復(fù)用，坑木材料消耗較大；巷道頂板下沉嚴(yán)重時，還需要加注化學(xué)材料加固頂板。使用單元支架支護(hù)頂板后，支護(hù)強度增加，活柱隨頂板來壓有一定的伸縮，既能有效支護(hù)頂板，又能減少材料浪費。

4) 傳統(tǒng)架設(shè)“一梁三柱/四柱”鋼梁棚時，使用人工抬運支護(hù)材料，每班需要8～10人作業(yè)。使用單元支架進(jìn)行支護(hù)后，每班僅需3人作業(yè)即可滿足生產(chǎn)要求，單元支架與棚梁支柱支護(hù)效果對比見表4，130203工作面回風(fēng)巷單元支架逐漸形成雙排支護(hù)布置見圖3。

表4 單元支架與棚梁支柱支護(hù)效果對比

圖3 130203工作面回風(fēng)巷單元支架逐漸形成雙排支護(hù)布置

4 結(jié) 語

經(jīng)過探索與研究，結(jié)合回采巷道的礦壓顯現(xiàn)情況，目前單元支架距離煤壁30 m左右開始向外移設(shè)能夠滿足生產(chǎn)需求，同時在后續(xù)單元支架使用過程逐漸由單排形成雙排的超前支護(hù)形式，支護(hù)長度120 m左右能夠有效減少巷道變形，滿足生產(chǎn)。