工作面巷道無反復支撐超前支護研究現狀及發展

韓會軍，余銅柱

1天地科技股份有限公司開采設計事業部 北京 100013

2兗州煤業股份有限公司 山東鄒城 273500

煤礦開采中超前巷道存在支承壓力，通過錨網索、噴射砼、注漿等主動支護手段，巷道頂板已具有一定強度，但受回采影響，在工作面煤壁附近需要加強支護。隨著深井開采逐年增加，巷道斷面尺寸逐步增大，工作面回采推進速度加快，對巷道的加強支護越發緊迫。目前廣泛使用的加強支護手段已在原有木垛、石碹等低強度耗材基礎上升級為可反復使用的機械化支護設備，如單體支柱、成組超前支架等。國家煤礦安監局發布的〔2019〕21 號《國家煤礦安監局關于加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》要求：具有沖擊危險的采煤工作面安全出口與巷道連接處超前支護范圍不得小于 70 m，綜采放頂煤工作面或具有中等及以上沖擊危險區域的采煤工作面安全出口與巷道連接處超前支護范圍不得小于 120 m，超前支護優先采用液壓支架。單體支柱支護強度及效率低，超前支架組對巷道頂板反復支撐造成破壞，因此，長距離的工作面超前支護，需要對無反復支撐支護方式進行系統研究。

1 巷道液壓支架與圍巖耦合支護

如圖 1 所示，受工作面回采擾動，巷道應力重新分布，結合理論分析、數值模擬及現場實測，超前支承壓力按照切向應力分區基本分為穩壓區 (C)、增高區 (B)及降低區 (A)；按原巖應力分區分為彈性區 (E)和極限平衡區 (D)。通過分析，認為超前支承壓力分布受采高、工作面長度、煤層埋深等多種因素影響，同一條件不同時期，超前支承壓力峰值在初次來壓時最大，周期來壓次之，非來壓時期最小；超前支承壓力集中系數、應力峰值、影響范圍均隨工作面長度、埋深、采高的增大而增加[1]。巷道采用錨網、索支護體系提供主動支護，超前支架提供被動支護，形成多種形式的耦合作用，維持巷道圍巖穩定。

圖1 巷道超前應力分布規律Fig.1 Distribution law of advanced stress on roadway

沖擊傾向、綜放開采等復雜地質條件下，巷道超前應力影響范圍和分布情況更趨嚴峻，根據液壓支架與圍巖耦合支護理念，超前支架應按照“低初撐、高工阻”及非等強支護原則進行配套[2]，即給予超前支架較低的初撐力，保證支架升起時能完好地接觸巷道頂板，而不對已有錨固體系造成破壞，但支架安全閥調定壓力保持較大值，在巷道頂板下沉時，能提供足夠的支撐剛度，減少頂板位移量；此外，針對巷道超前應力分布規律，在工作面超前巷道不同部位，采用不同支護強度的支架進行支護，在巷道形成“超前支架-錨網、索-圍巖”的耦合支護體系。但目前超前支架的電液控方式在解決實時調節安全閥壓力方面尚難實現工程應用。

2 無反復支撐技術研究

隨著巷道加強支護技術的發展，超前支架型式的開發仍處于探索階段。根據使用情況來看，對于距離工作面 20 m 范圍內的超前支護設備仍以具備四連桿機構的前推后拉超前支架組為主[3]，20 m 之外的加強支護以單體支柱+鉸接鋼梁相配套。而對前推后拉式超前支架組的反復支撐效應的進一步認識，推動了無反復支撐單元式支護的開發。無反復支撐支護，目前主要采用循環移架方式進行支護 (見圖 2)，即隨著工作面推進，巷道超前支架依次從靠近工作面處移動到靠近巷道出口處，其中主要涉及所采用支護單元及其移動方式，而受限于支架結構及移動方式，多在回風巷道使用。

圖2 循環移架式無反復支撐模式Fig.2 Cyclic moving non-repeated supporting mode

2.1 單元式支護結構型式

2.1.1 剛性支護

包括木垛、石碹及部分金屬支架[4]，多為一次性消耗支護，支護效率低，資源浪費嚴重，且由于支護沒有讓壓性能或支護強度低，一定程度上無法滿足圍巖穩定性控制要求，已逐步被機械化支護方式淘汰。

2.1.2 單體支柱

單體支柱憑借其體形小、質量輕、綜合成本低等特點，廣泛用于巷道支護。由于使用及移動方面的便利性，不會對巷道頂板造成反復支撐，搭配鉸接鋼梁使用，增加了接頂面積，整體支護效果較好，新開發的無反復支撐超前支架多在這種支護方式基礎上改進創新而來。但另一方面，單體支柱無法提供足夠的支護強度，不適用于頂板壓力較大的巷道支護。此外，單體支柱需要靠人力完成支設及回撤，工人勞動強度大，支護效率低，安全性較差，隨著巷道支護技術的發展，人工支護也將被現代化支護方式取代。

2.1.3 門式支架

顧名思義，門式支架指在巷道斷面中具有“門”形狀的超前支架，具有代表性的是采用活動四邊形結構作為主體的可縮性巷道支架，總體相當于單體支柱與橫梁相結合，如圖 3 所示，其頂梁為可縮或不可縮橫梁，可增加具備護幫功能或輔助撐頂的輔助機構，保證支架接頂。相較單體支柱，整體支護效率有所提高，降低了人工及安全成本，已在同煤同忻、峰峰大淑等礦推廣使用。

圖3 門式超前支架Fig.3 Gantry-type advanced support

2.1.4 墩柱式支架

鑒于單體支柱支護強度無法滿足圍巖壓力大的巷道支護，可布置 2～4 根立柱合抱的形式，形成單元式超前支架 (見圖 4)，具體根據巷道壓力、支架穩定性需求確定立柱數量，一般為降低移動難度，支架不采用類似四連桿的穩定機構。該種超前支護單元具有類似單體支柱的靈活體形和移動便捷的特點，且能提供較大的支護強度，是目前無反復支撐方式中應用最廣的支架。目前多用于沿空巷道超前支護，現場一般在巷道中沿工作面推進方向單排或雙排布置。

圖4 墩柱式超前支架Fig.4 Column-type advanced support

2.1.5 自行式支架

自行式支架是在普通支架基礎上裝備自移機構，包括履帶式機構 (見圖 5)[5]、螺旋移動機構等。這種支架可以實現在巷道中的全方位行走，但缺點是所使用自移機構會對巷道底板造成較嚴重破壞，增加了巷道的支護難度，且不利于支架穩定性。

圖5 履帶行走式支架Fig.5 Crawler-moving-type support

2.2 支護單元移動方式

采用循環移架的方式布置超前支護單元是目前普遍的認知，但針對無法自行移動的超前支架，如何從巷道超前支架隊列的一端移動到另一端的具體方法，仍具有很大的研究空間。超前支架的移動包括在巷道斷面內的橫向移動和沿巷道走向的縱向移動。橫向移動多借助單體支柱或支架本身機構中安裝的千斤頂完成動作，動作時可以相鄰支架為支點，也可以巷幫為支點。針對沿巷道走向的縱向移動，主要有空中吊運及地面運輸兩大類，如圖 6 所示。

圖6 超前支架運輸方式Fig.6 Transport mode of advanced support

2.2.1 空中吊運

主要是采用單軌吊完成單元式超前支架的搬運，軌道安裝在巷道頂板錨桿或兩側支架間的連接梁上。空中吊運方式不受底鼓、積水、起伏等巷道底板情況干擾，占用空間小，運輸效率高，應用范圍在逐步增大，但存在操作復雜，起吊質量受限等缺點[6]。

2.2.2 地面運輸

在單元式超前支護發展初期，支架在井下的移動主要依靠絞車拖拽，在巷道一端安裝絞車，利用拉力完成超前支架的長距離搬運，當底板條件較好時，搬運效果可滿足使用要求，但安全系數較低。針對門式支架結構型式，多采用特種運輸車輛進行搬移。同忻礦所使用門式超前支架搬運車，即采用無軌膠輪車改造而成，用于支架的循環移動。因此，地面運輸方式受巷道底板地質條件影響較多，占用空間較大，安全性相對較差。

3 無反復支撐發展趨勢

隨著工作面巷道支護距離及支護強度的日漸增長，無反復支撐支護方式將是今后相當長時間內的研究焦點。實踐證明，單元式支護仍然是最受歡迎的工作面巷道支護方式，但其仍需解決提高支護強度和運輸效率兩方面問題。

(1)鑒于地質條件的多樣性及研究機構的分散性，對于“支架-錨、網索-圍巖”支護體系的研究仍不完善，亟需形成公認的支護距離和支護參數的理論指導和設計規范，通過具體的指導及標準化方式，提升巷道無反復支撐的理論體系，而針對非等強分段支護的智能化控制方式將有效提升超前支護效果。

(2)借助獨立的機構對支架進行搬移是目前條件下應用最廣的方式，但受限于巷道地質條件，搬移效果差強人意，有待對搬移方式及機構進一步開發，提高超前支架循環移動效率，此外，具有較好適應性的可自行全向移動超前支架也可解決支護效率問題。

(3)現有無反復支撐基本用于回風巷道，運輸巷道中可供超前支架移動的空間斷面較小，因此占用空間較小的無反復支撐超前支護問題也有待突破。

4 結語

復雜地質條件礦井開采及煤礦開采技術的提高將促使工作面巷道超前支護需求日益迫切，在要求足夠支護強度及不破壞頂板已有錨固體系的雙重條件下，無反復支撐將是工作面巷道超前支護的必經之路，其中單體支柱+鉸接鋼梁形式仍將在今后一段時期內充當主要的支護方式；提高單元式超前支護的支護強度及移動效率，使其具有更好的適應性是無反復支撐支護的發展趨勢。