綜采工作面超前支護液壓支架研究

杜恩光

（山西陽煤新景公司調度室綜采二隊， 山西 陽泉 045000）

引言

在過去的兩巷超前支護中，以單體液壓支柱配合金屬鉸接梁是最為常用的支護方式之一[1]。當巷道斷面較小、巷道兩側壓力較小時，這種支護方式能夠滿足目前的生產需求，但在這種支護模式下，單體液壓支柱與金屬頂梁配合使用時存在安全性較差及工人的工作量較大等缺點，這種支護方式還存在支護強度較弱、支護速度較慢、成本高及設備移動困難等缺點[2-3]。然而，超前支護液壓支架從設計上克服了這些缺點，為實現兩巷支護的機械化及超前支護奠定了基礎，也是傳統支護技術的巨大飛躍。

1 超前支護支架類型選擇

改造煤礦的煤層類型屬于典型的“三軟”煤層，其煤層硬度較小、頂板的巖性較差、頂板傾角較大。在進行巷道的超前支護時，對于巷道所需要選擇的支架類型配合相關部門進行了綜合的論證分析。

1.1 支架類型介紹

現階段礦井常用的超前支護支架主要包括以下幾種類型：

1）左右交替邁步前進式液壓支架。左右兩側的支架構成一個支架組合，此支架類型適用于設備巷及風巷。

2）上下擺動型寬體橫向液壓支架。這種支架大多用于設備巷，可以適應多種不同形狀的巷道斷面，其結構如圖1所示。

3）可四處伸展型寬體順向液壓支架，多適用于巷道斷面較大、通風較好的風巷。

4）由后向前移動型橫向多列整體型液壓支架及順向交替整體框架型超前支護液壓支架，其中整體超前支護支架順向交替支護特殊巷道，二者均適用于巷道斷面較大且巷道圍巖條件較好的設備巷[4-5]。

圖1 上下擺動型液壓支架

1.2 架型選擇

用于研究的某煤礦，其煤層頂板巖石類型以深灰色泥巖為主，巖層平均厚度為1.1 m，局部地區的頂板類型為深灰色粉砂巖，巖層平均厚度為0～1 m。基本頂及基本底類型主要為粉砂巖及泥巖，同時含有少量細砂巖及泥巖。根據該煤礦的巷道基本情況及其超前支護的液壓支架特點，風巷中選用的液壓支架類型為左右交替前移式液壓支架。由于巷道中刮板輸送機的卸載方式為交叉式，同時轉載機本身的寬度較大，因此液壓支架類型為寬體可上下擺動橫梁型。

2 超前支護液壓支架的參數及結構特點

由于前移左右兩列交替式超前支護液壓支架在礦井中的應用較為普遍，因此主要介紹寬體橫向頂梁可上下擺動架型超前支架的相關參數及特點，其結構如圖2所示。

圖2 超前支護液壓支架結構

2.1 主要技術參數

關于支撐掩護式超前支護液壓支架的具體相關參數如下頁表1所示。

2.2 主要結構特點

這種類型的支架在設備巷以橫向布置的形式進行安裝擺放，支架的頂梁可以上下自由擺動，四個液壓支架組合之后成組使用。前后兩支架之間通過移架千斤頂及連接頭相連接，具體的移架方式為：推前架移后架。這種類型的液壓支架主要包含以下幾種特點：

表1 支撐掩護式超前支護液壓支架技術參數

1）橫向的寬體頂梁在支護空間內具有較大的活動空間，可以任意擺動，滿足了轉載機在運轉過程中對支護空間的需求，避免二者相互影響。

2）此液壓支架的底座寬度較大，導致整個設備底板受壓較小；頂梁為寬體頂梁，支護面積較大。

3）此類型支架的頂梁結構適應性較強，可以適應不同形狀的巷道斷面，主要包含：矩形巷道、異形巷道及拱形巷道。

4）支架中套筒的結構為可伸縮式的穩定套筒結構，單支液壓支架的長度較短，對于走向坡度變化比較明顯巷道具有顯著的適應能力。

5）在工作過程中，工人行走及進行相關操作的區域都在支架的內部進行，有效提高了工人作業環境的安全性，從而有效提高了工作效率。

3 超前支護液壓支架在井下的應用

3.1 現場應用

選取2號煤層某工作面作為實驗工作面，工作面煤層平均厚度為2.3 m。頂板的處理方式為全部垮落法，選取的支架類型為寬體可上下擺動橫梁型支架，采煤方法為炮采的方法。試驗工作面長度為85m，工作面沿走向方向推進，持續推進長度為700 m。整個工作面共設置60臺液壓支架，放頂方式為強制放頂。強制放頂分別在15 m、20 m、40 m三個位置進行，當頂板不出現周期來壓現象時，在50 m處進行第四次強制放頂，85 m長的工作面共設置5組密集深孔，每組包含三個孔，各孔的仰角分別為30°、60°、80°，孔深分別為 10 m、13 m、15 m，強制放頂結束后工作面出現初次來壓。

從50 m采位開始，位于工作面中間部位的頂板隨著液壓支架的移架逐漸自行垮落，每移動兩次支架完成一次頂板的垮落，垮落的高度在5～8 m之間。但在一般生產條件下，懸露頂板長度一般不超過3 m。因此，關于頂板的處理方式大多選用打鉆孔強制放頂，每移動5次支架進行一次放頂操作，同時在頂板鉆采2～3個深度為10 m左右，傾斜角度為30°左右的鉆孔。

試驗工作面整個推進過程流暢，煤炭的采出率可達90%，工作過程中單臺液壓支架的最大工作阻力為1 700 N，此阻力值相當于支架額定工作阻力的41%，此阻力值出現在工作面60 m處。當頂板出現初次來壓時，支架的壓力顯現值為3 600 N，排除強制放頂對各別位置支架阻力影響外，其余各支架的最大工作阻力均未超過其最大值。其中，整個工作面內的平均工作阻力為1 500 N，僅為額定工作阻力的35%，工作面中最大工作阻力為2 800 N，為額定工作阻力的68%，且當工作面推進至65 m位置時才出現初次來壓。

3.2 應用效果評價

實驗煤礦綜采工作面設備巷及風巷所安裝的超前支護液壓支架在井下取得了較好的應用效果，主要表現在以下幾個方面：

1）當工作面出現頂板周期來壓時，巷道中的超前支護液壓支架能夠滿足巷道頂板支撐穩定性要求，保證了工作面的安全生產。

2）設備巷及風巷均使用超前支護液壓支架，在超前采動壓力的影響下，巷道圍巖的變形量屬于較為穩定的狀態，對于巷道兩幫及頂底板的移近量都符合礦井安全生產的要求。

3）設備巷安裝的液壓支架能夠與轉載機、端頭液壓支架合理進行配套操作，從而有效保證巷道超前支護過程中工人的作業安全及設備安全。

4）各液壓支架之間通過移架千斤頂相連接，前后兩支架分別作為彼此的支點，隨著采煤工作面的持續推進，可以實現整個支架的快速推移并能夠適應礦井的高效工作生產需求。

5）支架的底座、頂梁及護幫板的形狀都可以按照巷道斷面的實際情況進行相應的調節，表明此支架類型具有良好的護頂及接頂能力。

在支護過程中，雖然該類支架取得了較好的效果，但在開采后期存在巷道高度變化較大、原有的傾斜支護方式不能較好地適應巷道的形狀變化等問題，因此需要對巷道的支護方式進行進一步的改進。

3.3 改進措施

改進主要包含兩個部分，即支護采用U型鋼梁與支護的拐點過渡方式選用圓弧形過渡。具體改進措施如下：

1）支架的最大支撐高度由原有的3.5 m增加至3.8 m，支撐選用雙伸縮立柱及伸縮套管，支撐高度由2.5 m降低到2.3 m，有效增加了支架的支撐高度范圍。

2）支架前立柱的頂梁鉸接點位置向前移動，使支架對巷道兩幫的支護效果明顯增強；在一定程度上縮短了頂梁的長度，為適應巷道斷面的情況，取消了支架的伸縮梁及擋板。

進行兩次改進之后的設備巷的支護情況良好，超前支護支架有效適應了巷道的形狀變化，同時支架的支護性能被有效提高。其具體布置方式如圖3所示。

圖3 布置方式

4 結語

隨著我國煤礦開采深度的持續增加，礦井的地壓變化逐漸顯著，同時巷道兩側的超前壓力也越來越顯著。巷道超前支護液壓支架有效解決了目前存在的超前支護問題，但當煤層賦存條件不同、巷道斷面形狀不同及機巷配置不同等條件不同時，對巷道液壓支架的類型具有更高的要求。超前支架類型雖然能夠滿足特殊條件下機巷超前支護要求，但對于“U”型棚支護巷道替棚難度大的問題，需要在以后的改進中進一步深入研究。