綜采工作面超前應(yīng)力區(qū)支護(hù)優(yōu)化

常晉峰

（山西煤炭運銷集團(tuán)晉中有限公司，山西 晉中 030600）

1 15104 工作面概況

山西煤炭運銷集團(tuán)晉中有限公司掌石溝煤礦15104 工作面位于+830 m 水平，是一采區(qū)第四個工作面，該工作面標(biāo)高+830～874 m，走向長度1003 m、傾向長度132 m，傾角0～12°，平均傾角6°，面積132396 m2；15104 回采工作面位于井田中西部，東邊為15105 運輸順槽保安煤柱，西邊為15103 工作面保安煤柱，北邊為原15101 采空區(qū)保安煤柱，南部與一采區(qū)三條大巷相連。

15104 工作面回采煤層為15 號層，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，有0～2 層夾矸，且上部煤層夾矸厚度變化較大，為0.3～2 m，下部夾矸厚度為0.2～0.3 m。煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 15104 工作面回采的15 號煤層頂?shù)装鍘r性

15104 工作面于2022 年4 月7 日回采，4 月22 日已回采70 m，工作面回采至60 m 處時位于回風(fēng)順槽超前30 m 范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形破碎現(xiàn)象，集中表現(xiàn)在以下幾方面：回風(fēng)順槽超前5.0 m 范圍內(nèi)三角煤柱出現(xiàn)大面積垮落，導(dǎo)致尾端出現(xiàn)大面積空頂現(xiàn)象，端頭支架壓力大，局部支架壓力大，為34 MPa；超前應(yīng)力區(qū)原采用單體柱支護(hù)，由于受頂板壓力影響，單體柱出現(xiàn)變形、卸壓現(xiàn)象，局部支架頂梁已插入頂板中；回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象，實測頂板最大下沉量達(dá)0.44 m，兩幫收斂量最大達(dá)0.87 m。

2 超前應(yīng)力區(qū)支護(hù)優(yōu)化

為了解決受初次來壓及周期來壓影響，導(dǎo)致回風(fēng)順槽圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形的現(xiàn)象，決定對原回風(fēng)順槽圍巖支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化[1-3]。

2.1 原回風(fēng)順槽支護(hù)

2.1.1 巷道永久支護(hù)

1）回風(fēng)順槽原頂板主要采用錨桿（索）＋鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)；巷道寬度為4.5 m，巷道頂板每1.0 m布置一排錨桿鋼帶，每排布置5 根錨桿，長度為2.5 m、直徑為22 mm，錨桿間距、排距均為1.0 m；鋼帶采用橫截面呈W 型的鋼帶。

2）頂板每3.0 m 布置一排錨索，錨索布置間距為1.8 m，錨索采用長度為8.3 m、直徑為17.8 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索外露端安裝一塊長度及寬度均為0.25 m鋼托板。

3）回風(fēng)順槽巷道高度為3.5 m，巷幫煤壁側(cè)采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，錨桿長度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿端頭安裝玻璃鋼托盤；非煤壁側(cè)主要采用螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿長度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿外露端安裝一塊W 型鋼帶。

2.1.2 臨時支護(hù)

15104 工作面回采期間對回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)采用單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，每排支設(shè)3 根單體柱，單體柱采用“一柱一梁”支護(hù)方式，頂梁采用π 型頂梁，單體柱支設(shè)間距為1.5 m、排距為1.0 m。

2.2 應(yīng)力區(qū)支護(hù)優(yōu)化

為了提高頂板穩(wěn)定性，解決原單體柱支護(hù)時出現(xiàn)嚴(yán)重變形、卸壓現(xiàn)象，決定對回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板采用可伸縮超前支架支護(hù)[4-5]。

1）采用的可伸縮超前支架型號為ZQL-2×3000/19/37，可伸縮超前支架主要由縱梁、伸縮油缸、折疊梁、支撐油缸、操作閥組以及底座等部分組成，如圖1 所示，支架頂梁最大支護(hù)強(qiáng)度為1.12 MPa，支護(hù)時最大工作阻力為1640 kN。

圖1 液壓可伸縮超前支架結(jié)構(gòu)示意圖

2）折疊梁和2 根液壓伸縮柱安裝在支架頂梁與底座之間，液壓伸縮柱伸縮行程范圍為1.0～1.5 m，采用專用高強(qiáng)度液壓膠管與乳化液泵連接；支架頂梁通過折疊梁實現(xiàn)升降。

3）支架頂梁、折疊梁、支撐油缸以及底座通過液管與集中閥組連接，頂梁伸縮油缸右端與縱梁連接、另一端與頂梁連接，油缸通過供、回液管路與專用控制閥組連接。

4）支架頂梁有效支護(hù)長度為5.0 m、寬度為2.5 m，縱梁最大伸縮行程為0.8 m、寬度為0.3 m，縱梁共計4 塊，縱梁與伸縮油缸連接，從而保證伸縮動作。

2.3 支架工作原理

1）首先將支架搬移至指定位置并進(jìn)行組裝，相鄰兩架支架安裝距離為1.0 m，支架安裝后將各油缸液管與閥組連接，閥組油管與專用液泵連接。

2）超前支架安裝到位后通過控制支撐油缸操作閥組使液壓伸縮柱升起，確保支架頂梁與頂板接觸嚴(yán)實，并確保支架具有足夠的初撐力。

3）通過縱梁伸縮油缸操作閥控制作用，使支架4 根縱梁水平伸出，從而對頂梁兩側(cè)頂板進(jìn)行有效支護(hù)；隨著工作面前移，液壓支架通過JSDB-25 雙速絞車進(jìn)行前移。

2.4 超前支護(hù)強(qiáng)度驗算

工作面回采期間兩端頭超前應(yīng)力區(qū)圍巖支護(hù)在來壓前主要為主動支護(hù)，來壓后屬于被動支護(hù)。主動支護(hù)主要對直接頂載荷進(jìn)行支撐，被動支護(hù)主要對直接頂及老頂部分載荷進(jìn)行支撐；液壓可伸縮超前支架在支護(hù)過程中的支護(hù)強(qiáng)度可按式（1）進(jìn)行計算。

式中：Pt為伸縮支架支護(hù)強(qiáng)度；L 為回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)長度，按20 m 計算；B 為15104 回風(fēng)順槽寬度，取4.5 m；h1、h2分別為回風(fēng)順槽直接頂和基本頂厚度，由表1 可知，直接頂厚度為10.15 m，基本頂厚度為5.6 m；p1、p2分別為直接頂和基本頂?shù)膸r體密度，取平均值為2.35×103kg/m3；G 為重力常數(shù)，取9.81N/kg；K 為頂板來壓系數(shù)，取0.6。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1）得：Pt=311kN/m2=0.311MPa。

由此可見，工作面回采過程中當(dāng)頂板來壓時，頂板對支架最大載荷為0.311 MPa；而液壓可伸縮超前支架設(shè)計可承載載荷為1.12 MPa，滿足巷道支護(hù)要求。

3 支護(hù)優(yōu)點及應(yīng)用效果分析

3.1 支護(hù)優(yōu)點

1）支護(hù)效果好：與傳統(tǒng)單體柱相比，液壓可伸縮超前支架具有支護(hù)截面積大、支護(hù)強(qiáng)度高、工作阻力大等優(yōu)點，解決了單體柱支護(hù)時受來壓影響單體柱出現(xiàn)變形、卸壓現(xiàn)象，以及頂梁對頂板切頂破壞作用。

2）自動化水平高：與傳統(tǒng)單體柱及工字鋼棚相比，液壓可伸縮超前支架通過液壓作用控制支架升降，自動化水平高，降低了支護(hù)勞動作業(yè)強(qiáng)度；而且超前支架可二次利用，避免了傳統(tǒng)單體柱支護(hù)時變形嚴(yán)重、修復(fù)難度大、二次利用率低等技術(shù)難題。

3）實用性強(qiáng)：液壓可伸縮超前支架不僅可用于煤礦采掘工作面中，而且可用于隧道、橋梁等領(lǐng)域中，實用性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣。

3.2 實際應(yīng)用效果分析

4 月22 日對15104 回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板采用ZQL-2×3000/19/37 可伸縮超前支架，共計安裝4 架，通過3 個月實際應(yīng)用效果來看，取得以下顯著應(yīng)用成效：

1）提高了經(jīng)濟(jì)效益：對回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)采取可伸縮超前支架支護(hù)后，順槽內(nèi)無須支設(shè)單體柱，減少單體柱支護(hù)數(shù)量達(dá)60 根，減少了單體柱維修費用達(dá)17.8 萬元；支架可重復(fù)利用，每班需1 名專人操作即可，與傳統(tǒng)支護(hù)相比，每班減少作業(yè)人員3 名，全月可減少人工費用9 萬元；同時采用超前支架支護(hù)頂板效果好，未出現(xiàn)頂板破碎、冒漏現(xiàn)象，減少巷道二次復(fù)修費用達(dá)30 余萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2）控制了圍巖變形：15104 回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板采用傳統(tǒng)單體柱支護(hù)時，頂板控制效果差，三角煤柱垮落嚴(yán)重；而采用超前支架支護(hù)后，有效控制了三角煤柱垮落現(xiàn)象，減小了尾端頭空頂距，應(yīng)力區(qū)順槽頂板下沉量減小至0.14 m，兩幫收斂量減小至0.27 m。

4 結(jié)語

掌石溝煤礦對15104 工作面回采期間回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)圍巖支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采用液壓可伸縮超前支架代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單體柱支護(hù)，通過現(xiàn)場實際應(yīng)用效果來看，該支架具備自動化水平高、支護(hù)強(qiáng)度大、故障率低等優(yōu)點，成功解決了超前應(yīng)力區(qū)圍巖支護(hù)困難、支護(hù)效果差等技術(shù)難題，取得顯著應(yīng)用成效。