7 m大采高綜采面順槽超前支護方案的優化

李瑞群

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

在綜采工作面回采過程中，兩順槽超前支護段始終處于應力增高區，該區域的頂板控制十分關鍵，一旦超前支護不到位就有可能發生冒頂事故。因此，為了保證頂板安全，必須對該區域進行超前支護。《煤礦安全規程》也明確規定采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內必須加強支護，且加強支護的巷道長度不得小于20 m。大柳塔煤礦是神東煤炭集團的骨干礦井，在日常管理中十分重視綜采面兩順槽的超前支護工作，在超前支護的形式上采取過單體液壓支柱支護、單體密集支護、超前組合液壓支架支護、綜采面液壓支架等多種支護方式，這些支護方式各有其特點和適用條件，如何根據工作面的具體礦壓顯現強烈程度[1]，確定合理的超前支護方式，對于保證兩順槽超前支護段的頂板安全，具有重要意義。本文就通過對7 m大采高綜采面兩順槽超前支護段不同支護形式進行對比分析，得出不同支護方式的優缺點及適用條件，便于超前支護方案的優化。

1 綜采工作面超前壓力形成的原因及影響

綜采工作面煤炭采出后，采空區上方巖體的壓力要向周圍煤體內轉移，產生應力集中。在煤壁前方一定區域內形成應力增高區，一般情況下，超前應力增高區分布范圍為到幾十米，其中最大峰值距離煤壁向前約2～10 m，工作面超前壓力分布情況示意圖如圖1所示。

圖1 采煤工作面超前壓力示意圖

超前壓力對于煤炭開采既有有利的一面，也有不利的一面。有利的一面是在超前壓力的作用下，煤壁的煤體受壓破碎，有利于煤的破落[2-3]。不利的一面就是兩順槽超前段的頂板控制困難，一旦支護不到位，可能發生冒頂或片幫[4-5]事故。

2 綜采工作面兩順槽超前支護的形式

綜采工作面兩順槽超前支護的形式較多，常用的支護方式有單體液壓支柱支護、超前組合液壓支架支護和綜采面液壓支架進行支護等3種，現分別對這3種超前支護形式進行介紹。

2.1 單體液壓支柱支護

單體液壓支柱支護是礦井早期常用的一種超前支護方式。這種支護方式為“點”支護，支護強度小，對頂板的支護效果差，并且隨著工作面的推進，單體需要人工不斷前移，勞動強度大，在作業過程中也存在一定的安全風險。采用單體液壓支柱支護時，為了保證支護效果，一般要求單體支柱的行程不小于400 mm，并且穿靴戴帽。

2.2 超前組合液壓支架支護

超前組合液壓支架是近幾年剛剛應用的一種新的支護設備，每臺超前組合液壓支架由前后2臺支架組合而成，兩架之間用推拉桿連接。相對于單體液壓支柱支護，超前組合支架的工作阻力大幅提高，并且為“面”支護，支護面積大大增加。大柳塔煤礦7 m大采高綜采面采用的ZFDC35400/27/47型超前支護組合架參數見表1。

表1 ZFDC35400/27/47型超前組合支架主要技術參數表

2.3 綜采面液壓支架支護

綜采面液壓支架支護就是利用綜采面中部液壓支架放置在兩順槽超前支護段進行頂板支護，這種支護方式對頂板的支護同樣是“面”支護，工作阻力更大，而且超前支護的范圍也可以通過增加支架數量而變得更長。各液壓支架之間用鏈條連接，最前面的第1臺液壓支架用自身的推拉桿，通過起底和拉架操作實現前移。大柳塔煤礦常用的7 m大采高綜采面ZY20000/28/55D液壓支架主要參數見表2。

表2 ZY20000/28/55D型液壓支架主要技術參數表

3 各種超前支護方式支護強度的計算

現以大柳塔井52301綜采工作面回風順槽超前支護為例，按照采用單體液壓支柱支護、超前組合架支護和工作面液壓支架支護3種情況，分別對支護強度進行計算。52301工作面回風順槽寬6 m，高4 m，順槽采用錨網索聯合支護方式，順槽底板施工200 mm厚的混凝土。

3.1 單體液壓支柱支護強度計算

如果采用單體進行超前支護，每排支設3根單體，排距為1.5 m，支護長度21 m，需要單體45根，每根單體的支護力為90 kN，采用單體液壓支柱進行超前支護示意圖如圖2所示。

圖2 單體液壓支柱進行超前支護示意圖

支護設備對頂板的支護強度計算公式為

(1)

式中：p—超前支護段內單體支護對頂板的平均支護強度；n—超前支護范圍內支護設備的數量；F—每單個支護設備的工作阻力；L—順槽超前支護段長度；W—順槽寬度。

將單體液壓支柱支護的相關數據代入，計算得出單體液壓支柱對頂板的支護強度p單體=0.032 MPa。

3.2 超前組合液壓支架支護強度計算

如果使用ZFDC35400/27/47型超前組合支架進行超前支護，根據組合架的結構由2臺架子組合而成，每臺液壓支架的工作阻力為17 700 kN，組合支架的支護總長度為20.5 m，單臺支架頂梁長度為4.77 m，寬度為2.64 m，如圖3所示。

圖3 ZFDC35400/27/47型超前組合支架支護示意圖

將超前組合液壓支架的數據代入式(1)，計算得出超前組合液壓支架對頂板的支護強度p組合架=0.29 MPa。

計算超前支護設備頂板比壓(即支架頂梁的支護強度)的計算公式為

(2)

式中：P—頂板比壓；n—支護設備數量；F—單個支護設備的工作阻力；l—支護設備頂梁長度；w—支護設備頂梁寬度。

將超前組合液壓支架的數據帶入式(2)，計算得出超前組合液壓支架對頂板的頂板比壓為P組合架=1.4 MPa。

3.3 綜采面液壓支架支護強度計算

如果采用型號為ZY20000/28/55D綜采面液壓支架進行支護，將4臺ZY20000/28/55D液壓支架按照1列擺放進行超前支護，這樣超前段支護的長度為26.8 m。該液壓支架頂梁長度4.7 m，支架中心距2.05 m，超前支護時2臺支架之間的距離為2 m，如圖4所示。

圖4 ZY20000/28/55D綜采液壓支架超前支護

將數據代入式(1)，計算得出液壓支架對頂板支護強度為：p支架=0.5 MPa。

將數據代入式(2)，計算得出液壓支架頂板比壓為：P支架=2.08 MPa。

4 各種支護方式的參數對比

根據以上分析和計算，得出采用單體液壓支柱支護、超前組合液壓支架支護和綜采液壓支架支護的各項參數對比表，見表3。

表3 3種支護方式對比表

5 結論

本文對7 m大采高綜采面兩順槽超前支護的不同形式進行了分析和對比，分析了單體液壓支柱支護、超前組合架支護和綜采液壓支架支護的優缺點，最后得出了在不同礦壓顯現程度下這3種支護方式的適用條件。

(1)一般情況下盡量不選擇單體液壓支柱進行支護，只有在過聯巷口的位置，對聯巷口的位置采用單體支柱進行支護。

(2)如果綜采面兩順槽超前支護段礦壓顯現不是非常強烈，一般選取超前組合液壓支架進行支護。

(3)如果順槽超前段礦壓顯現十分強烈的時候，可以選擇綜采面液壓支架進行支護。