煤礦綜采工作面超前支護(hù)技術(shù)研究

邵林林，黃 昕，孫 斌

（河南永錦能源有限公司云蓋山煤礦二礦，河南 禹州 461670）

引言

在煤礦開采過程中，要想實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，離不開超前支護(hù)技術(shù)的支持?，F(xiàn)代超前支護(hù)技術(shù)的使用，可從超前支護(hù)承應(yīng)力規(guī)律展開分析，著重解決支護(hù)中的各項(xiàng)難題。同時(shí)也應(yīng)當(dāng)及時(shí)更新設(shè)備，提高機(jī)械化與自動(dòng)化水平，最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。但在生產(chǎn)過程中也要注意安全事故的發(fā)生，要采取切實(shí)可行的預(yù)防策略，避免影響作業(yè)人員的人身安全。

1 超前支護(hù)新方法研究

采煤工作面主要連接著回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷，承擔(dān)著運(yùn)輸煤炭與物料、行人通行、通風(fēng)等任務(wù)，位置控頂面積大。作業(yè)過程中工作量受到超前支撐壓力的影響，使得頂板可能會出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，又由于機(jī)械設(shè)備體積較大，在移動(dòng)安裝設(shè)備時(shí)，需要對其進(jìn)行支柱與撤柱，從而間接影響了頂板，使其更加破碎。在多項(xiàng)因素的影響下，導(dǎo)致綜采工作面的上下出口極易發(fā)生冒頂事故，因此務(wù)必要落實(shí)安全管理，采取超前支護(hù)技術(shù)。應(yīng)用超前支護(hù)的主要目的是：保護(hù)工作面上下出口的暢通性，是一項(xiàng)常見的支護(hù)方法。如果頂板未垮落，分布形式主要以懸臂式分布為主；如果頂板垮落，壓力分布形式主要為拱形[1]。無論是受到哪種壓力形式，都是由煤柱承擔(dān)壓力。如果在選擇支護(hù)方式時(shí)，不選用超前支護(hù)，則很容易受到壓力因素的影響，而引發(fā)煤體崩塌，堵塞安全出口，給作業(yè)人員造成生命安全威脅。因此務(wù)必須要結(jié)合實(shí)際情況，選擇超前支護(hù)方式落實(shí)支護(hù)，將安全事故的發(fā)生遏制在搖籃之中，有效避免因支護(hù)不當(dāng)帶來的損失。

2 超前支護(hù)支架結(jié)構(gòu)狀況

部分超前支護(hù)支架需要設(shè)置拉架錨固點(diǎn)，但是在斷面較大的巷道中，是難以確定拉架錨固點(diǎn)的。如果在開采過程中出現(xiàn)軟煤層，則會導(dǎo)致其頂板過于不穩(wěn)定，甚至在施工過程中會導(dǎo)致頂板發(fā)生脫落。在選擇超前支護(hù)設(shè)備時(shí)，如果選擇單體液壓支柱作為主要設(shè)備，很容易引發(fā)多項(xiàng)問題，暴露施工缺點(diǎn)，比如支護(hù)強(qiáng)度難以滿足頂板礦壓的需求，則會導(dǎo)致位于工作面出口位置的頂板出現(xiàn)下沉，嚴(yán)重會引發(fā)頂板脫落等問題，對現(xiàn)場作業(yè)人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅。如果支護(hù)方式以人力支護(hù)為主，不僅會導(dǎo)致現(xiàn)場工作人員施工強(qiáng)度加大，如果出現(xiàn)人工操作失誤時(shí)，也會導(dǎo)致設(shè)備損壞，給企業(yè)帶來損失。

3 綜采工作面超前支護(hù)的重要意義

采取超前支護(hù)主要的目的是：避免因超前支承壓力、傾斜方向支承壓力所引發(fā)的巷道變形、破壞等問題。在綜采工作面開展超前支護(hù)，能夠保障上下出口的暢通性。當(dāng)前煤炭資源的開采大多數(shù)采用機(jī)械化、自動(dòng)化的設(shè)備，雖然不需要提高開采效率，但在開采過程中所產(chǎn)生的壓力也較大，如果不采取科學(xué)有效的支護(hù)方法，則會影響開采效率，也會對綜采工作面的安全性產(chǎn)生影響，帶來嚴(yán)重的安全事故與風(fēng)險(xiǎn)，給煤炭開采工作埋下隱患。因此要積極采取超前支護(hù)方式，盡全力降低煤礦開采的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

煤炭開采過程中綜采工作面的進(jìn)回風(fēng)巷是其重要出口，此出口的作用在于運(yùn)輸物料、行人通行等等。在進(jìn)行采煤掘進(jìn)時(shí)，在壓力的作用下，關(guān)鍵連接部位的控頂面積會發(fā)生重新分布現(xiàn)象，這主要是由于巷道支護(hù)撐力較小，很容易導(dǎo)致控頂出現(xiàn)下沉或者破壞問題，如何支護(hù)壓力過大，頂板會大幅下沉，給開采作業(yè)帶來嚴(yán)重的不良影響[2]。而在移動(dòng)大體積設(shè)備時(shí)，也會對頂板產(chǎn)生影響，造成破碎問題，因此就要采取超前支護(hù)方式，避免出現(xiàn)冒頂事故，加強(qiáng)對巷道的管理。

4 超前支互承應(yīng)力分布規(guī)律

在推進(jìn)工作面開采過程中，需要采出煤體，這時(shí)上覆圍巖的支承力則會逐漸流失，在采空區(qū)上部的圍巖應(yīng)力也會逐漸轉(zhuǎn)移到周圍巖體上。如果在工作面前的煤巖體受到破壞，強(qiáng)度、支承應(yīng)力則會隨之降低，并逐漸朝著深處轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。隨著施工作業(yè)的逐步推進(jìn)，超前支承壓力也會發(fā)生移動(dòng)，對超前支承壓力產(chǎn)生的主要影響因素，包括煤層厚度、煤層厚度、內(nèi)層側(cè)壓系數(shù)和煤層埋藏深度等等。在完成掘進(jìn)作業(yè)后，在工作面的上下順槽圍巖應(yīng)力會重新分布，在支護(hù)的支持下，能夠使其保持相對穩(wěn)定。隨著煤層開采作業(yè)的逐步推進(jìn)，超前支承壓力會打破巷道的平衡，尤其是如果工作面周期來壓，礦壓的變化則會更加明顯且劇烈，在煤層上的覆巖層也會出現(xiàn)深度垮落，這時(shí)頂板就會出現(xiàn)向下移動(dòng)，使其承受壓力明顯增大，煤壁會發(fā)生片幫，導(dǎo)致底鼓嚴(yán)重，圍巖發(fā)生嚴(yán)重變形，給現(xiàn)場作業(yè)人員造成嚴(yán)重的生命安全威脅。

5 超前支護(hù)技術(shù)實(shí)行方案

5.1 合理選擇超前支護(hù)技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)在工作面的安全回采，就要按照具體安全規(guī)范，在工作面上下順槽20 m范圍內(nèi)落實(shí)超前支護(hù)。當(dāng)前常見的超前支護(hù)技術(shù)包括超前液壓支架、木支柱以及單體液壓支柱。通過對比可以發(fā)現(xiàn)不同支護(hù)方式起著不同的作用。超前液壓支架能夠?qū)崿F(xiàn)上下順槽始終緊密接觸，避免在作業(yè)過程中對頂板進(jìn)行反復(fù)支撐，所帶來的支撐面積更大，強(qiáng)度高，能夠防止上下順槽出現(xiàn)離層現(xiàn)象，而在移架過程中可選擇鄰架操作，使得作業(yè)人員的生命安全得到保障[3]。木支架是過去常用的支護(hù)手段，但是此類的支護(hù)難以達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，很容易發(fā)生損壞問題，甚至屬于一次性支護(hù)，浪費(fèi)生產(chǎn)資金，如果頂板壓力過大，也將難以滿足實(shí)際支護(hù)要求，隨著自動(dòng)化水平與機(jī)械化水平的提高，木支架逐漸被取代。單體液壓支柱是較為常見的超前支護(hù)手段，適用性更強(qiáng)。但是單體液壓支柱的強(qiáng)度稍低，在壓力的影響下，很容易導(dǎo)致頂板下沉，發(fā)生鉆底問題，難以直接回收，而且單體液壓質(zhì)量差距較大，離不開人工支持，導(dǎo)致工作人員工作強(qiáng)度加大，使得支護(hù)效率與支護(hù)速度難以保障，開發(fā)成本不斷上升，且無法保障現(xiàn)場施工的安全性。

5.2 合理選擇超前支護(hù)參數(shù)

確定好支護(hù)強(qiáng)度能夠巷道頂板起到必要的支護(hù)作用，結(jié)合超前液壓支架的支撐力與支護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)ι舷马槻郛a(chǎn)生必要的頂板支護(hù)力，避免頂板過早離層問題的發(fā)生。而在選擇超前支護(hù)參數(shù)時(shí)，也要結(jié)合現(xiàn)場綜采工作面的實(shí)際情況展開調(diào)研，并根據(jù)理論計(jì)算，選擇合理的支護(hù)設(shè)備與操作方式，避免支護(hù)參數(shù)選擇不合理，給綜采操作面造成嚴(yán)重影響。

5.3 生產(chǎn)中的注意事項(xiàng)

在工作面回采過程中，要想充分發(fā)揮出超前液壓支架對支護(hù)工作面上下順槽所產(chǎn)生的支護(hù)作用，就應(yīng)當(dāng)在具體操作過程中注意各個(gè)事項(xiàng)。首先在鄰架操作階段，需要對頂板的安全狀況進(jìn)行全面檢查，需要對頂板的活石進(jìn)行處理，并對超前液壓支架的前移雜物進(jìn)行清理，而后才可開展移架。其次，要加強(qiáng)對上下順槽頂板的管理，如果上下順槽頂板出現(xiàn)破碎，則需要臨時(shí)支護(hù)超液壓支架巷道的中間與兩邊，在確定周圍環(huán)境安全無誤后，在可進(jìn)行移架操作，尤其是對于斷裂構(gòu)造，更要完成支護(hù)。采煤機(jī)應(yīng)當(dāng)與工作面端頭之間保持15 m距離，而后才可移架，在移動(dòng)前，務(wù)必要停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)載機(jī)，關(guān)閉電氣閉鎖[4]。

6 自移式超前支護(hù)支架組

6.1 超前支護(hù)支架組架構(gòu)

綜采工作面超前支護(hù)技術(shù)的支架組由兩個(gè)以上液壓支架單元構(gòu)成。液壓支架單元由頂梁、液壓立柱、前后連桿以及底座構(gòu)成，在前后液壓支架之間，需要利用抽屜滑梁機(jī)對其上部進(jìn)行連接，利用推拉千斤頂對其下部進(jìn)行連接。抽屜滑梁機(jī)在作業(yè)過程中，需要導(dǎo)向梁與前液壓支架的頂梁。在導(dǎo)向梁中，伸縮導(dǎo)向桿能夠滑動(dòng)主要與推拉千斤頂所產(chǎn)生的推拉作用相關(guān)。

6.2 工作流程

綜采工作面在回采過程中，單體液壓支柱能夠被超前支護(hù)支架所替代，同時(shí)也能夠增強(qiáng)頂梁的安全性，實(shí)現(xiàn)有序管理頂板，以此避免發(fā)生頂板脫落的問題。首先，需要分離開前液壓支架的頂梁與頂板。在工作過程中，通過對推拉千斤頂?shù)恼{(diào)節(jié)，使得前液壓支架單元能夠逐步向前移動(dòng)。其次，逐步升級前液壓支架，使得頂梁能夠?qū)敯瀹a(chǎn)生支撐，隨后分離開液壓支架單元頂梁與頂板，此時(shí)也需要對推拉前進(jìn)行逐步調(diào)節(jié)，使得后液壓支架單元能夠逐步向前推動(dòng)，并升起后液壓支架單元，使得頂板能夠受到頂梁的支撐。在推拉的支持下，綜采工作面的支護(hù)支架組能夠起到良好的支護(hù)功能。

6.3 液壓系統(tǒng)

在支護(hù)巷道的頂板中常用液壓支架，是對頂板所產(chǎn)生的支撐力，主要來源于支柱活塞內(nèi)的液體靜壓。支架對頂板所產(chǎn)生的支撐力，來源于液控單向閥封閉的立體活塞腔內(nèi)液體動(dòng)力，支架具有可縮性特點(diǎn)[5]。

6.4 應(yīng)用前景

綜采工作面可采取的超前支護(hù)方式較為靈活，空間的安排十分合理，更適用于狹小的運(yùn)輸巷道空間，能夠有效解決因設(shè)備密集造成設(shè)備干涉的問題。超前支護(hù)支架組的液壓支架單元可賦予頂梁側(cè)面讓壓功能，可適應(yīng)頂板及其壓力，而在測物量單元下方安裝著吊裝裝置，更利于開展檢修作業(yè)，因此超前支護(hù)支架組的應(yīng)用前景十分廣泛。

7 綜采工作面超前支護(hù)的安全事故與預(yù)防措施

7.1 超前支護(hù)不力，煤層發(fā)生垮落

在實(shí)際開采過程中，可能會存在煤層塌陷或者滑落等問題的影響，如果不及時(shí)加強(qiáng)管理，則會對現(xiàn)場作業(yè)人員產(chǎn)生巨大威脅，影響其生命健康。為了避免此種問題的發(fā)生，在實(shí)際開展超前支護(hù)技術(shù)時(shí)，既要綜合考慮現(xiàn)場的實(shí)際施工情況，對頂板與煤體加強(qiáng)管理，并對周圍環(huán)境的安全性能進(jìn)行綜合評估，如果出現(xiàn)突發(fā)性頂板垮落的問題，則要采取科學(xué)有效的措施對其加以治理，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場施工安全的維護(hù)，保障現(xiàn)場作業(yè)人員的生命安全。首先，應(yīng)針對性加強(qiáng)對綜采工作面巷道支護(hù)的管理，使得頂板穩(wěn)定性得到有效控制。其次，加強(qiáng)斷層頂板的管理，尤其是在運(yùn)行采煤機(jī)過程中，更要注重采煤機(jī)與支架之間的配合度，使得空頂時(shí)間能夠得到有效縮短，并實(shí)現(xiàn)一步到位，避免反復(fù)升降對頂板造成破壞。

7.2 統(tǒng)一工作形式，確保支護(hù)合理

在綜采工作面上開展安裝與運(yùn)行作業(yè)時(shí)，首先需要確保施工現(xiàn)場的安全，并實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物的統(tǒng)一。相關(guān)工作人員務(wù)必要對周圍的地質(zhì)地貌進(jìn)行全面勘察，尤其是對開采區(qū)域更要加強(qiáng)管理，綜合考慮多項(xiàng)影響因素，制定科學(xué)可行的生產(chǎn)計(jì)劃，推動(dòng)礦產(chǎn)作業(yè)的有序進(jìn)行。這也就表明除了要保障綜采工作面頂板的安全性能以外，也要加強(qiáng)監(jiān)督與管理，確保工作人員出口的安全，通常同時(shí)也要綜合考慮選擇安全系數(shù)最高的工作場地，確保綜采工作面上的安全性與穩(wěn)定性，為開采作業(yè)做好充足準(zhǔn)備。

7.3 結(jié)合實(shí)際情況，合理篩選支架

在綜采工作面頂板支護(hù)與管理中，支架是其關(guān)鍵工具，需要結(jié)合工作面的實(shí)際情況，確保支架的合理選擇，同時(shí)在設(shè)計(jì)安裝過程中，要結(jié)合實(shí)際情況保證現(xiàn)場施工安全。首先，要對中心距離匹配支架進(jìn)行篩選，在選擇單體液壓支柱時(shí)要確保其長度恰當(dāng)，使得支架中心距離更加合理。其次，要控制好液壓支架兩側(cè)距離，確保現(xiàn)場開采作業(yè)的安全性與穩(wěn)定性。在具體對液壓支架進(jìn)行篩選時(shí)，需要嚴(yán)格結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際施工情況、施工標(biāo)準(zhǔn)選擇最佳支架，從而增強(qiáng)其支護(hù)強(qiáng)度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)開采作業(yè)的安全、有序進(jìn)行。

8 結(jié)語

在綜采工作面應(yīng)用超前支護(hù)技術(shù)，能夠有效保障支撐強(qiáng)度，提高工作質(zhì)量與工作效率，同時(shí)也能夠?qū)ΜF(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全起到保護(hù)作用，保障煤礦企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。而在應(yīng)用超前支護(hù)技術(shù)時(shí)，也要綜合考慮現(xiàn)場施工情況，結(jié)合具體地質(zhì)條件、地壓情況，確定相應(yīng)系數(shù)與開采方案，并加強(qiáng)對支護(hù)材料的檢修與維護(hù)，確保支護(hù)安全，提高開采效率。