煤礦采煤工作面超前支護的應(yīng)用

王 偉

（山西焦煤西山煤電晉邦德煤礦，山西 呂梁 033000）

煤礦采煤工作是一項危險性極強的工作，該行業(yè)引發(fā)的事故不在少數(shù)。事故之一為頂板事故，其又可以細分為兩類：采煤工作頂板事故與巷道頂板事故。安全一直是采煤工作重點關(guān)注的問題，為減少事故發(fā)生，學界和實務(wù)中負責安全工作的人員不斷進行學習和研究，希望可以對現(xiàn)狀有所突破和改善。經(jīng)過長期的努力，也伴隨技術(shù)的進步，工作條件得到了極大的改善，在采煤工作的方法和工藝等方面，逐漸可以實現(xiàn)智能化和機械化，減少了人工從事高危行為的可能，進而降低了采煤工作頂板事故的發(fā)生率。考慮到煤礦采煤工作面的支護要求，本文主要對超前支護方法的應(yīng)用情況進行分析，從而在掌握超前支護技術(shù)要領(lǐng)的基礎(chǔ)上推動各項工作的有效開展。

1 煤礦采煤工作面超前支護現(xiàn)存問題

1.1 支護設(shè)計不科學

支護是否合理、科學是實現(xiàn)采煤工作安全的重要一環(huán)，但實踐中該方面依然存在著較大的問題。在做決定前，首先應(yīng)當對支護的本質(zhì)做出正確的認知，支護的作用和意義是選擇合適的設(shè)備實現(xiàn)對巷道圍巖的變形進行有效的支護。要想實現(xiàn)支護設(shè)備應(yīng)有的作用，必須要對采煤工作環(huán)境進行實地調(diào)查，做出正確的分析，而后根據(jù)結(jié)論去選擇適合當前工作環(huán)境需求的支護設(shè)備和型號?？疾觳擅旱默F(xiàn)實工作條件具有相當?shù)碾y度，所以很難全面掌握實際情況，導致設(shè)計和選擇的支護設(shè)備不夠科學，事故仍有發(fā)生。

分析上述結(jié)果產(chǎn)生的原因概括為：第一、設(shè)計難。支護設(shè)計依賴于精確的數(shù)據(jù)，但是目前設(shè)計采用的技術(shù)基本是工程類比法或者數(shù)值模擬法，這樣的方法雖可以提供一些可靠的數(shù)據(jù)作為參考。但是支護作用的發(fā)揮要求的數(shù)據(jù)極為精確，當前實踐極難獲得與巷道圍巖具有高的相似度的數(shù)據(jù)，再加之開采地區(qū)地質(zhì)體一般都較為復雜，難已實現(xiàn)精準預估支護的效果。第二、易受動態(tài)環(huán)境影響。巷道施工過程中很容易受到其他因素的影響，但是支護設(shè)計一般要求在靜載的環(huán)境效果最佳。當前并未有好的方法將兩者對環(huán)境需求矛盾達到平衡。第三、支護方案不能及時得到調(diào)整。支護設(shè)備設(shè)計和使用對專業(yè)也存在較高的要求，但是，實踐中并未實現(xiàn)此要求，施工人員缺乏專業(yè)技能和知識，對設(shè)備在使用過程中存在的支護不合理現(xiàn)象不能及時發(fā)現(xiàn)，進而不能及時對方案做出針對性的調(diào)整。

采煤工作的核心難題之一就是巷道設(shè)計難題，其對安全性和經(jīng)濟性都有較高要求，除此之外還有成本的考量[1]。

1.2 掘進施工工藝不精良

施工工藝對于采煤巷道掘進的效率影響重大，精良的掘進工藝可以大大提高工作的效率，例如實踐中，有些煤礦就采用了多工序平行進行作業(yè)，這種工作模式收獲了良好的效果，逐漸被其他企業(yè)學習和借鑒。具體的采煤工作過程中，采煤的工作面的支護是必須首先應(yīng)當進行嚴格檢查的，倘若該問題沒有得到重視，極有可能產(chǎn)生頂板巖層遇水熱膨脹軟化，而且該問題沒有得到及時有效的處理，很容易導致頂板破碎。如果設(shè)計工藝精良，很多的問題都可以得到有效避免，實現(xiàn)安全保障。觀察實踐可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段掘進施工工藝還存在很多做工不夠精細之處，很多事故的發(fā)生都與其施工工藝相關(guān)聯(lián)，增加了維護巷道的成本支出，減損了整體煤礦的經(jīng)濟收益。

1.3 施工人員專業(yè)性不足

煤礦采煤工作是一項專業(yè)性較高的工作，專業(yè)能力直接影響著整個礦業(yè)工作的基本進度和運轉(zhuǎn)。超前支護是采礦工作中綜合性較強的一項工作內(nèi)容，工作中設(shè)備的使用需要有專門知識人進行操作，且不同專業(yè)的技術(shù)人員在整體上還要達到一定的配合。這是理想效果，與實際還存在較大的差距。很多從事采礦工作的人員都沒有相關(guān)的專業(yè)知識，對整個行業(yè)的了解知之甚少，對工作內(nèi)容僅是表面上的知道，對于類似采煤工作面超前支護等的影響因素和不利后果都是不了解的。對一般操作員的技術(shù)要求不是很高，但相關(guān)技術(shù)崗人員就不能再以低要求作為標準了，施工技術(shù)人員稱之為技術(shù)人員，最主要的前提即是有豐富的專業(yè)知識。實際并非如此，身處技術(shù)崗的人并不重視其專業(yè)性，專業(yè)知識不足，這樣的工作團體也不能有效的實現(xiàn)配合，進而阻礙工作的順利進行，降低超前支護的質(zhì)量[2]。

2 工程概況

某煤礦是我國重要的產(chǎn)煤地之一，其地處山西省煤田的中部，其采煤深度為700～1200m。該地以豐富的煤炭資源出名，地質(zhì)復雜也是該地的顯著特征之一。該煤礦井含煤地層主要是石炭—二疊紀太原組和二疊紀山西組，主采的3煤層有沖擊傾向，上覆巖層變化頻繁，整體為斷層發(fā)育較多，存在局部頂板破碎的現(xiàn)象。該煤礦采煤工作面沿空巷道在回采存在較大壓力，導致變形嚴重、礦壓差距大，另外，回風巷道溫度高、濕度高的環(huán)境，極大地加劇了頂板維護的難度。

3 沿空巷道礦壓分帶及特點

結(jié)合煤礦工程以往采煤的情況分析，可以將巷道分為三個部分：卸載帶、增壓帶、原巖應(yīng)力帶（見圖1）。

圖1 綜放工作面超前支承壓力分布

3.1 卸載帶特點

卸載帶也稱減壓帶，一般為2～6m。此處遭受過支承壓力的作用，煤體已在不同程度上產(chǎn)生變形和破壞，因而使其承載能力降低，于是上覆巖層的支承點向煤體深部轉(zhuǎn)移，在煤體邊緣地區(qū)形成受力較原巖應(yīng)力更低的地帶。

卸載帶，又稱減壓帶，該帶長度一般為2～6m。由于煤體在之前已經(jīng)因為受到的承載力而變形、破壞，故而到卸載帶承載力就大大得到了緩解。原本上覆巖層的支撐點就發(fā)生了改變，進而已轉(zhuǎn)至煤體的深處，煤體的邊緣地形便成為較原巖承受力更低的區(qū)域。

3.2 增壓帶特點

增壓帶也稱支承壓力影響帶或應(yīng)力增高帶，又可分為壓力上升帶、壓力高峰帶和壓力下降帶。根據(jù)某煤礦井下觀測，該影響帶一般為20～40m，根據(jù)采場條件不同，有的也可達50～60m，甚至更遠。實踐證明，在該范圍內(nèi)，巷道易產(chǎn)生較大的變形破壞，維護較困難，應(yīng)加強此處的支護。

增壓帶較為復雜，其長度較卸載帶長，一般為20～40m，有些礦區(qū)還可以加長，增加到60m，它也被叫為應(yīng)力增加帶，或者支撐壓力影響帶。由于其長度較長，內(nèi)部可以細分為壓力上升帶、高峰帶以及下降帶。某煤礦的增壓帶較長，不同的采場情況不同，有的吸取增壓帶大50～60m，有的可能超過此長度。通過實踐發(fā)現(xiàn)，增壓帶在以上范圍極易造成巷道的破壞和變形，難以實現(xiàn)較好的維護，故應(yīng)當采取措施增強該區(qū)域的支護。

3.3 原巖應(yīng)力帶特點

原巖應(yīng)力帶增壓帶向外的區(qū)域，實體側(cè)一般在30～40m 之外，沿空側(cè)一般在50～60m 之外，此處巷道一般不受破壞，比較容易維護。通過以上分析可以看出，采煤工作面超前支護重點需對增壓帶進行維護，此范圍一般為工作面煤壁向外60m左右，為了安全起見，一般按照2 倍范圍進行維護，即煤壁向外120m 確定為超前支護范圍。

原巖應(yīng)力帶是處于增壓帶以外的區(qū)域，該帶由兩部分構(gòu)成，實體側(cè)通常約30～40m外，沿空側(cè)通常在50～60m外。在該區(qū)域的巷道維護較其他兩個區(qū)域簡單且容易，巷道一般不會受到破壞。我們總結(jié)上述分析也可以發(fā)現(xiàn)，采煤工作面超前支護的核心就是加大對增加帶的維護，維護的區(qū)域一般是工作面煤壁以外約60m。要想實現(xiàn)更高的維護效果，應(yīng)當加大維護的范圍，一般可以參照兩倍的范圍，也就是將超前支護的長度確定為煤壁向外120m左右，此時的支護效果更佳[2]。

4 超前支護方式對比分析

自建礦以來，其不斷進行嘗試新的支護方式，以期實現(xiàn)優(yōu)化的管理。以下將對金屬頂梁配合單體液壓支柱、支撐式順槽支架、單元式支架等不同的支護方式，現(xiàn)進行對比分析。

4.1 金屬頂梁配合單體液壓支柱支護

這種支護裝置是在沿空巷道居中位置三路金屬十字架支護頂板，十字架的規(guī)格采用的1.2m×0.8m 規(guī)格，頂部的頂梁用1.2m 長度的衡量傾向式放置，三路的十字架內(nèi)部分為主副梁，交叉的前后再設(shè)置1根金屬材質(zhì)的十字梁，在采側(cè)與不采側(cè)的兩側(cè)的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)的主梁再設(shè)置1根十字架，以呈現(xiàn)八柱為一排設(shè)計。

金屬頂梁配合單體液壓支柱支護優(yōu)點具有其優(yōu)點：①各部分聯(lián)結(jié)部分較為密切，鉸接的方式可以是金屬頂梁連成一個整體。也正是因為連成一體，與頂板存在較大的接觸面積，可以在頂板壓力正常的情況下較好的維護頂板。②在進行工作面回采過程中，保持中間段不動，后面的金屬梁與單體回撤后支設(shè)到前面，這樣的設(shè)置不會對頂板造成反復支撐的效果。

金屬頂梁配合單體液壓支柱支護的缺點：①支護強度不高，很容易出現(xiàn)頂板下沉的現(xiàn)象，同時，由于單體支柱鉆進量大，而且回撤難，操作不適當極有可能導致單體支柱被折斷、彎曲，設(shè)置壓死的后果。②金屬材質(zhì)的支護在設(shè)計和安裝中需要多種材料，材料應(yīng)當?shù)玫酵咨票９?，存放材料將會用去大筆資金。③該種支護的設(shè)置將耗費大量的勞動力，且勞動強度較大，該整個施工過程中都不能用機器代替，采用人工扛運施工物料的工作方式，效率低且危險性大。

4.2 自移式順槽支架支護

沿空巷道采用自移式順槽支架支護突出的特點是按照頂板走向進行布置，可以通過拉移千斤頂實現(xiàn)自移。

此種支護優(yōu)點：①自移式順槽支架具有較強的支護力，可以實現(xiàn)對頂板的有效支護。②在設(shè)置和施工方面，可以實現(xiàn)自動拉移，對勞動力的要求低。

該種支護存在的缺點是：①每一個移位的操作與全部支架的進行一系列的配合，這種頻繁的操作使得頂板完整性被破壞。②頂板會因此下沉、鼓幫，減少支架原本應(yīng)有的活動空間，進而對人的行動、通風產(chǎn)生不利影響。

4.3 單元式支架支護

采用單元式支架布置方式采用的是成對走向，在工作中用單軌吊將最后一組支架運至最前支架的前面升起，為完成一次循環(huán)。

該種支護的優(yōu)點：①有較強的穩(wěn)定性，產(chǎn)生的強度大，可以有效的實現(xiàn)對頂板的維護。②支護的距離較長，使得不用頻繁地對支架進行移動，進而減少了相關(guān)工序的時間和成本。③單元式支架在對支架進行運送時，使用的設(shè)備是風動單軌吊，這種運輸方式極大地降低了施工人員的工作強度。④單軌吊可以實現(xiàn)將處于末端位置的支架直接移動到超前支護的最外層，減少了因移位對頂板造成破壞，實現(xiàn)了對頂板的完整保護。

該支護存在的缺點：單元式支架的操作前提是必須使用單軌吊挪移，除此之外的其他設(shè)備都不能實現(xiàn)預期的支護效果，且對單軌吊的安裝、質(zhì)量、高度等方面都規(guī)定了較高的標準[3]。

5 理論分析與實踐驗證

上述分析可知，使用單元式支架對于采煤工作面的超前支護效果最佳，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進可以實現(xiàn)安全便捷的處理效果。該煤礦就是對上述理論分析的實踐檢驗結(jié)果，采用不同支護方式，對應(yīng)產(chǎn)生的巷道變形量（見表1），表1中的數(shù)據(jù)即可得出支護效果。

表1 不同支護方式巷道變形量統(tǒng)計

經(jīng)過對分析發(fā)現(xiàn)，四種方式中4綜放工作面結(jié)合單元式支架對巷道的變形影響最小，產(chǎn)生的支護效果更佳。

6 巷道掘進支護水平提升的關(guān)鍵點

6.1 改進工藝流程

建筑業(yè)的施工一般都有嚴格的操作要求，煤礦作為其中之一，在進行采煤工作中對工藝也有較高的標準。實踐中有很多的示例，由于工藝不夠規(guī)范，使得采煤危險增加，引發(fā)很多的事故，要想提升該行業(yè)的安全指標，應(yīng)當從工藝上入手，將基礎(chǔ)操作要領(lǐng)作為重點，是施工人員及技術(shù)人員在工作和應(yīng)對突發(fā)問題上有專業(yè)的分析，采取正確的措施，就可以降低礦難的發(fā)生[4]。

6.2 增強對支護技術(shù)管理

安全管理是每一個行業(yè)放在首位應(yīng)當考慮的，煤礦也更是應(yīng)當重視安全管理。對于采煤工作中超前支護發(fā)生的各種問題，究其原因，其共同點都有管理缺失的因素，故該行業(yè)必須要加強對支護技術(shù)的管理，將該工作作為重點進行安排，建立專門的部門和制度，將責任落實到個人。工藝和技術(shù)管理在采煤超前支護具有重要的意義，將這兩方面的工作做足，將會對整體煤礦的面貌和發(fā)展產(chǎn)生巨大的改變，促進煤礦安全、經(jīng)濟目標的實現(xiàn)[5]。

7 結(jié)語

在煤礦工程開采的階段采煤工作面超前支護技術(shù)應(yīng)用水平的高低，直接影響到整體的支護效果與煤礦生產(chǎn)安全以及質(zhì)量都有著很重要的影響。因此考慮到煤礦工程采煤工作面的質(zhì)量以及安全性，必須要做好超前支護技術(shù)方案的優(yōu)化，要提高超前支護的應(yīng)用效果，如此才能夠避免各種危險事故出現(xiàn)。