采煤工作面超前段圍巖變形控制技術(shù)研究

周躍飛

(山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030203)

頂板事故是礦井主要安全事故類型之一，給煤炭回采帶來一定制約[1-2]。眾多研究學(xué)者以及工程技術(shù)人員對回采巷道頂板、采面頂板控制展開研究，但是研究重點(diǎn)主要集中在巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化以及采面頂板管理方面，對采煤工作面超前支護(hù)方面研究相對較少[3-5]?，F(xiàn)階段采煤工作面超前支護(hù)方式主要采用工字鋼、單體支柱構(gòu)成邁步式抬棚進(jìn)行支護(hù)，存在勞動強(qiáng)度大、支護(hù)強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，無法滿足采煤工作面高效、快速推進(jìn)的需求[6-7]。超前支護(hù)支架具有自動化程度高、支護(hù)距離長、適應(yīng)性強(qiáng)以及支護(hù)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在采煤工作面超前支護(hù)中應(yīng)用不斷增加[8]。為此，文中就對31103采煤工作面超前支護(hù)存在問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出通過超前支護(hù)支架對回采巷道超前支護(hù)段圍巖進(jìn)行控制，現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用成果。

1 工程概況

31103采煤工作面回采的11號煤埋深平均520 m，厚度5.5～6.8 m(均值6.08 m)，煤層賦存較為穩(wěn)定，傾角5～12°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，中間夾雜有2～5層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸。11號煤層頂?shù)装鍘r層以炭質(zhì)泥巖、砂巖、石灰?guī)r為主，頂板較為穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。31103采煤工作面設(shè)計(jì)走向推進(jìn)距離1 260 m、傾斜長度150 m，采用綜放開采工藝，采高2.5 m，采放比1∶1.4～1∶1.96，端頭不放煤。工作面煤炭開采設(shè)備主要為：采煤機(jī)MG150/368-WD、綜放支架ZF4400/17/28、刮板輸送機(jī)SGB630/180。31103采煤工作面回采巷道斷面均為矩形，凈高、凈寬分別為2 500 mm、3 000 mm，圍巖支護(hù)采用錨網(wǎng)索方式。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

2 回采巷道原超前支護(hù)方案及存在問題分析

2.1 超前支護(hù)方案

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，回采巷道超前支護(hù)應(yīng)在20 m以上。根據(jù)以往11號煤層礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測31103采煤工作面回風(fēng)巷在超前采面前方25 m范圍內(nèi)受采動影響明顯。因此，在實(shí)際支護(hù)中，31103回風(fēng)巷超前支護(hù)距離控制在25 m?；仫L(fēng)巷超前支護(hù)段采用鉸接鋼梁、單體支柱按照一梁三柱方式支護(hù)，并通過工字鋼底梁、圓木輔助支護(hù)，每根鉸接梁上均布置2根長度2 600 mm半圓木，縱向布置3路，具體超前支護(hù)斷面如圖1所示。

2.2 超前支護(hù)問題分析

受31103采煤工作面回采動壓影響，回風(fēng)巷超前支護(hù)段圍巖變形量較大，單體支柱受力較大，部分甚至出現(xiàn)傾斜、壓彎問題，一些鉸接鋼梁由于銷釘錯(cuò)斷甚至失去頂板支護(hù)能力?，F(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，巷道頂?shù)装?、兩幫最大變形量分別可達(dá)到349 mm、427 mm。采面超前支護(hù)段支護(hù)強(qiáng)度低，支護(hù)材料消耗量大、難以實(shí)現(xiàn)整體回收。在鉸接鋼梁上通過布置半圓木強(qiáng)化頂板支護(hù)，在頂板來壓時(shí)容易出現(xiàn)破斷問題。采用工字鋼作為單體底梁(沿縱向布置)，受到底板底鼓影響，工字鋼底梁出現(xiàn)翹起問題。

整體來說，31103采煤工作面回風(fēng)巷超前支護(hù)段使用的圍巖變形控制方案存在勞動強(qiáng)度大、支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)材料消耗量大等問題，難以滿足31103采煤工作面高效推進(jìn)需求。

圖1 超前支護(hù)示意(mm)

3 超前支架應(yīng)用分析

3.1 超前支架結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述分析并結(jié)合31103回風(fēng)巷現(xiàn)場實(shí)際情況，提出采用3×ZQL2×3500/15/30超前支架對回風(fēng)巷進(jìn)行超前支護(hù)，具體選用的超前支架規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 超前支架規(guī)格參數(shù)

回風(fēng)巷超前支護(hù)采用3組6架支架構(gòu)成，支架置于回風(fēng)巷兩側(cè)，移架步距800 mm。鄰近支架有調(diào)偏、防倒的油缸，底座間有雙排推移油缸，可實(shí)現(xiàn)自移架。支架結(jié)構(gòu)為窄型四連桿，包括窄底座、掩護(hù)量以及連桿，滿足回風(fēng)巷空間狹小的需求，降低了超前支架通風(fēng)阻力；超前支架前、后梁及頂梁均為鉸接式結(jié)構(gòu)，挑梁最大旋轉(zhuǎn)角超過90°，對巷道頂板條件有較好適應(yīng)性。

圖2 超前支架示意

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

3.2.1 超前支架工作阻力

31103回風(fēng)巷超前支護(hù)采用3×ZQL2×3 500/15/30超前支架，截止到2021年5月，該采面已順利推進(jìn)超過300 m，超前支架均運(yùn)行平穩(wěn)。監(jiān)測超前支架工作壓力，具體監(jiān)測結(jié)果見圖3所示。從監(jiān)測結(jié)果看出，在使用期間超前支架立柱壓力在20～35 MPa，在正常使用期間安全閥均未開啟，表明超前支架可滿足需要。采用超前支架后超前支架移架速度較快，移架耗時(shí)控制在1 h以內(nèi)。

圖3 超前支架工作阻力監(jiān)測曲線圖

3.2.2 超前支護(hù)段圍巖變形情況

在使用過程中對超前支護(hù)段圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。從監(jiān)測結(jié)果得出，隨著與采面間距增加，超前支護(hù)段圍巖變形量呈降低趨勢；超前支護(hù)段巷幫變形量明顯高于頂板下沉量，主要是由于采用的超前支架對頂板具有較高的支護(hù)強(qiáng)度，而巷幫則未進(jìn)行支護(hù)。監(jiān)測期間頂板最大下沉為15 mm、兩幫最大移近量為80 mm，變形量較小。

圖4 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果圖

4 結(jié) 語

31103采煤工作面回采期間，回采巷超前支護(hù)段采用的單體、鉸接鋼梁以及原木組合支護(hù)方式，采用的超前支護(hù)方式存在支護(hù)強(qiáng)度低、勞動強(qiáng)度大等問題，在采動壓力作用下出現(xiàn)圍巖變形量大、支護(hù)材料損壞等問題，難以滿足采面高效推進(jìn)需要。

結(jié)合回風(fēng)巷現(xiàn)有條件，超前支護(hù)使用3×ZQL2×3 500/15/30超前支架，該支架具有支護(hù)強(qiáng)度高、自動化程度高、通風(fēng)阻力小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場應(yīng)用后巷道頂板下沉量在15 mm以內(nèi)、兩幫移近量在80 mm以內(nèi)，變形量整體較??；同時(shí)液壓支架工作阻力均在允許值范圍內(nèi)，使用期間未出現(xiàn)安全閥開啟情況；超前支架拉架在1h之內(nèi)即可完成且實(shí)現(xiàn)自動移架，回風(fēng)巷超前支護(hù)需要的作業(yè)人員也較少、勞動強(qiáng)度明顯降低。