智能化采煤工作面超前段錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)研究

郭振勇

（山西焦煤山煤國(guó)際豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

煤炭資源作為我國(guó)重要的能源形式之一，其在國(guó)民生產(chǎn)生活中占據(jù)重要地位。伴隨著開(kāi)采深度及開(kāi)采規(guī)模的不斷加大，工作面開(kāi)采的問(wèn)題逐步顯現(xiàn)。由于工作面開(kāi)采，此時(shí)工作面前方的煤體受力環(huán)境改變，應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成巷道圍巖破壞和變形。因此，回采巷道超前段的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)對(duì)于保障工作面人員安全至關(guān)重要。隨著綜采面智能化、機(jī)械化程度的大幅度提升，此時(shí)運(yùn)輸、通風(fēng)和開(kāi)采均對(duì)巷道穩(wěn)定性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的超前支護(hù)方式難以滿足礦井安全高效開(kāi)采，制約著工作面向無(wú)人化、智能化發(fā)展[1-2]，提升工作面超前支護(hù)效率及穩(wěn)定程度成為時(shí)下研究的重要課題。為提升工作面超前支護(hù)穩(wěn)定性及可靠性，本文基于傳統(tǒng)單體液壓支柱、自移式支架支護(hù)方式，提出超前段錨索加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)[3-4]，通過(guò)在原支護(hù)方案上補(bǔ)打錨索，提升巷道穩(wěn)定性，為智能化工作面建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

1 模擬分析

為響應(yīng)國(guó)家智能化發(fā)展要求，建立了2901 智能工作面，通過(guò)智能工作面監(jiān)控系統(tǒng)及控制系統(tǒng)配合完成采煤工作智能化任務(wù)。智能控制系統(tǒng)通過(guò)生成的采煤智能截割線替代傳統(tǒng)記憶割煤方式，提高了智能采煤的可靠性；智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦井進(jìn)行實(shí)時(shí)礦壓監(jiān)測(cè)，在提升監(jiān)測(cè)精度的同時(shí)降低了人工測(cè)量工作強(qiáng)度。智能化工作面的采煤機(jī)為MG500/1130-MD3 型、液壓支架為ZY6800-16/35D 型、變頻一體機(jī)乳化泵為BRW500/31.5 型、刮板輸送機(jī)為SGZ800/2X 700型?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控采煤機(jī)、液壓支架運(yùn)行工況，同時(shí)對(duì)采煤機(jī)、液壓支架等啟停進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制同步。

基于懸吊理論，建立巷道支護(hù)模型，通過(guò)計(jì)算可知，為保證回采巷道頂板穩(wěn)定性，其支護(hù)強(qiáng)度需要達(dá)到137.89 kPa，而巷道頂板原支護(hù)強(qiáng)度根據(jù)計(jì)算可知僅為101 kPa，無(wú)法滿足巷道頂板正?；夭傻男枨?，所以需要對(duì)其進(jìn)行支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度最低為36.89 kPa。為了研究補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)最佳方案，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行模擬研究，選定最佳支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)方案。

根據(jù)工作面實(shí)際條件建立三維模型，長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為200 m×200 m×100 m，煤層的傾角為10°，對(duì)模型的四周進(jìn)行固定約束設(shè)定，同時(shí)對(duì)模型底端進(jìn)行固定，在模型的頂端施加均布荷載7.5 MPa，完成邊界約束設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)定，力學(xué)參數(shù)依據(jù)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試所得。分別給出四種支護(hù)方案，支護(hù)方案參數(shù)如表1 所示。

表1 支護(hù)參數(shù)方案

首先對(duì)原支護(hù)方案下回采100 m 時(shí)，工作面超前40 m 范圍內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行分析，工作面不同超前距離下的垂直應(yīng)力曲線如圖1 所示。

圖1 工作面不同超前距離下的垂直應(yīng)力曲線

從圖1 中可以看出，超前應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力大小可分為三個(gè)區(qū)域，分別為超前0～1.96 m 時(shí)的應(yīng)力減壓區(qū)，1.96～42.4 m 范圍內(nèi)的應(yīng)力增壓區(qū)以及超過(guò)42.4 m后的應(yīng)力穩(wěn)壓區(qū)。在應(yīng)力增壓區(qū)內(nèi)，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，在超前6.6 m 處達(dá)到峰值應(yīng)力為23.6 MPa，此時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)為2.36；當(dāng)超前工作面30 m 時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力降低至10 MPa 左右，最終超前影響范圍為42.4 m 以內(nèi)，所以對(duì)超前支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)的范圍為超前43 m 內(nèi)。

對(duì)四種支護(hù)方案下的頂板離層量、底鼓量以及兩幫移近量進(jìn)行對(duì)比分析，選取工作面超前7 m 處的巷道變形曲線如圖2 所示。

圖2 工作面超前7 m 處的巷道變形曲線

從圖2 可以看出，四種方案下巷道頂板的離層量分別為43.1 mm、52.7 mm、39.4 mm、37.3 mm，方案3和4 的頂板離層量最小，方案2 的頂板離層量最大；四種方案下的巷道底鼓量分別為94.2 mm、106.1 mm、80.1 mm、72.3 mm，可以看出此時(shí)的方案3、4 巷道底鼓量控制較佳；四種方案的幫部移近量分別為43.0 mm、45.1 mm、35.0 mm、30.1 mm，此時(shí)同樣可以看出方案2變形量最大，而相對(duì)應(yīng)的方案3、4 的巷道兩幫變形量仍是最小，方案4 布置效果最佳。綜合分析可知，當(dāng)選用方案4 時(shí)支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)效果最佳。

根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的工作面回風(fēng)巷斷面支護(hù)如圖3 所示。

2 應(yīng)用研究

對(duì)優(yōu)化支護(hù)后的段落進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)采用多參數(shù)綜合智能監(jiān)測(cè)，有效降低了由于人員操作造成的誤差，提升了監(jiān)測(cè)的精度。多參數(shù)綜合智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。

圖4 多參數(shù)綜合智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)方案對(duì)回風(fēng)巷圍巖的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，繪制回風(fēng)巷圍巖變形曲線如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，回風(fēng)巷表面位移量均呈現(xiàn)隨著超前距離的增大而逐步減小的趨勢(shì)，受超前支撐應(yīng)力的影響，在超前30 m 范圍內(nèi)，此時(shí)的巷道圍巖變形速率均呈現(xiàn)較大的幅度變化，巷道兩幫的變形量分別為134 mm、120 mm，此時(shí)巷道底板及頂板最大位移量分別為170 mm、81 mm；而在超前30 m 之外，巷道圍巖的最大變形量不超過(guò)60 mm。此時(shí)巷道頂板的完整性及兩幫完整性均未發(fā)生明顯的變化，錨索支護(hù)有效地補(bǔ)強(qiáng)了巷道頂板的的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的補(bǔ)強(qiáng)方案能夠有效保障回采工作面穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）超前應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力大小可分為三個(gè)區(qū)域，分別為超前0～1.96 m 時(shí)的應(yīng)力減壓區(qū)，1.96～42.4 m 范圍內(nèi)的應(yīng)力增壓區(qū)以及超過(guò)42.4 m 后的應(yīng)力穩(wěn)壓區(qū)，在超前6.6 m 處達(dá)到峰值應(yīng)力為23.6 MPa。

2）對(duì)四種方案下巷道頂板離層量、底板底鼓量幫部移近量進(jìn)行分析，確定補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案4 補(bǔ)強(qiáng)效果最佳。

3）回風(fēng)巷表面位移量均呈現(xiàn)隨著超前距離的增大而逐步減小的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后巷道兩幫的變形量分別為134 mm、120 mm，此時(shí)巷道底板及頂板最大位移量分別為170 mm、81 mm，錨索支護(hù)有效地補(bǔ)強(qiáng)了巷道頂板的穩(wěn)定性。