綜采工作面吊移式超前單元支架實踐應用

文/王 偉

煤礦井下綜采工作面的巷道超前支護是事關煤礦安全高效生產的關鍵環節。隨著綜采工作面機械化程度不斷提高，綜采工作面推進速度不斷加快，給綜采工作面超前支護的安全性帶來了嚴峻考驗。同時，隨著煤炭開采技術的發展，綜采設備以及液壓支架單件的重量越來越大，如何在工況條件復雜的巷道中安全高效運輸設備，是當前井下輔助運輸系統所面臨的一大挑戰。華亭煤業集團山寨煤礦在25031工作面應用巷道超前支護液壓支架來代替傳統單體液壓支架支護，并利用單軌吊機車進行起吊運輸支架，取得了良好效果，具有推廣應用價值。

一、現有支護效果分析

目前，我國大部分綜采工作面兩巷超前支護區域采用“單體液壓支柱＋金屬梁”形式支護，支護強度低、穩定性差，易造成安全事故。

山寨煤礦25031工作面回風順槽煤壁向外33m范圍內巷道支護采用5副ZQ9600/25/38型超前液壓支架支護，33～87m范圍內巷道支護采用DFB3400“π”型長鋼梁配合單體柱打設“一梁兩柱”橫向抬棚支護。本文以綜采工作面液壓支架、巷道超前支護液壓支架和巷道單體液壓支柱等典型支護形式為例，從支護強度、護頂效果以及支護穩定性三個方面進行分析。

1.支護強度匹配分析

在支護強度方面，通過對25031工作面液壓支架、巷道超前支護液壓支架和巷道單體液壓支柱等不同支護結構支護強度的對比分析，可知綜采工作面圍巖支護強度顯著大于兩巷超前支護強度。

2.護頂效果匹配分析

在護頂效果方面，當支護強度一定時，支護結構與頂板接觸面積增大，能提高頂板主動支護荷載分布的均勻性，避免局部應力集中或支護力不足。25031綜采工作面液壓支架頂梁尺寸為4325mm×1750mm，單架頂梁接頂面積占平均控頂區域面積的83.58%；巷道超前支護液壓支架頂梁尺寸為7245mm×1200mm，單架雙頂梁接頂面積占支護巷道頂板面積的4 8%；巷道單體液壓支柱配合柱帽或金屬梁使用，柱帽直徑為30 0mm，金屬梁長寬為3400mm×100mm，與頂板接觸面積分別占支護巷道頂板面積的4.24%、5.6%。因此，從支護結構接頂面積角度分析，單體液壓支柱接頂效果最差，增加了工作面與兩巷支護護頂效果的不匹配性。

3.支護穩定性匹配分析

在支護穩定性方面，25031綜采工作面液壓支架重心低，接頂面積大，相鄰液壓支架連接緊密，支架在支護和移動過程中具有很高的穩定性，不容易發生側翻、傾倒。巷道超前支護液壓支架重心低，有較大接頂面積，相鄰支架為前后連接，具有較高的穩定性，但在一些底鼓、頂板不平整圍巖條件較差的巷道中，支架穩定性有待優化。巷道單體液壓支柱重心高，接頂面積小，整體結構強度低，穩定性較差。因此，綜采工作面液壓支架穩定性要顯著高于巷道超前支護液壓支架與巷道單體液壓支柱。

綜上分析，在支護強度、護頂效果以及支護穩定性等方面，25031工作面支護均優于兩巷支護。與巷道超前支護液壓支架相比，單體液壓支柱支護強度低、護頂效果與穩定性差，增加了工作面與兩巷支護的不匹配性。

二、工程實踐

1.技術依據

《綜采綜放工作面超前支護系統技術條件》（GB/T37611—2019）中尾變首式超前支護技術要求規定：超前支護技術適合大斷面、大變形回風巷道，超前支護距離大于60m時推薦采用。超前支護單元宜采用低初撐力、高工作阻力設計。“低初撐力、高工作阻力”支護原理實現方法：降低超前支架進液管路中的進液壓力，達到立柱設定壓力自動停止供液。

2.設備選型及技術參數

參照我國巷道超前支護液壓支架的分類，支架特征、優缺點及適用條件，通過分類對比、巷道超前支護計算、支護強度驗算，最終確定25031工作面巷道超前液壓支架選型為：兩柱支撐式單元支架進行超前支護。根據25031綜采工作面實際及巷道布置，最終確定單元支架主要技術參數：

支架型號：ZQ4000/20.6/45；

支架高度：2060～4500mm；

支護高度：支架最高-200mm，支架最低+400mm；

前后排距：2.2m；

支護強度：0.88MPa（平均）；

支護初撐力：3082kN ；

支護工作阻力：4000kN；

支架對底板比壓：2.8MPa；

操作方式：手動控制；

泵站壓力：31.5MPa；

支架重量：約4.5t；

底座長度及寬度：1800mm、940mm；

頂梁長度及寬度：1600mm、520mm。

3.超前單元支架布置方式

單元支架采用由里向外逐架沿巷道中線兩側布置，巷道一側每兩副超前單元支架中心距為2400mm，支護高度為2060～4500mm，兩側單元支架底座中心距為2850mm，單元架距巷道上、下幫距離為305mm，且排成直線，偏差不超過100mm。

4.超前單元支架挪移方式

（1）《綜采綜放工作面超前支護系統技術條件》（GB/T37611—2019）尾變首式超前支護技術要求規定：超前支護距離大于50m時,推薦采用單軌吊運方式；底鼓變形嚴重、有積水巷道宜采用單軌吊運方式。

（2）通過對比現有輔助運輸（無極繩絞車），工作面順槽采用單軌吊機車運輸，主要有如下重要性和優越性。

①單軌吊機車易于維修。

②單軌吊機車的安全性高。單軌吊機車具有多層保護系統，例如壓力保護系統、溫度保護系統和制動保護系統，其占據煤礦作業的上層空間，安全穩定系數較高，且在單軌吊機車的巷道中進行貨物裝卸時，可以實現準確定位，消耗的人力和物力都較少。

③單軌吊機車的靈活性高。單軌吊機車機動性強，能夠隨時啟動和制動，在作業起吊重物時，能夠在運行路線上進行快速裝卸運行，且靈活性高，載重量相對較大。

5.單軌吊機車性能參數

結合25031綜采工作面實際，確定選用DX80/48防爆特殊型蓄電池單軌吊機車進行輔助運輸。主要性能參數如下：

適用坡度：≤15°；

額定牽引力：80kN；

最小制動力：120kN；

最小水平轉彎半徑：4m；

最小垂直轉彎半徑：10m；

機車總功率：57kW；

驅動電機總功率：8×6kW；

調速方式：變頻無極調速；

空載最大運行速度：2m/s；

蓄電池容量：560Ah；

蓄電池電壓：252V；

制動方式：失效制動+電氣保護；

行駛操作：雙向雙司機室；

驅動部底端距軌道底高度：≤0.65m；

機車自重：13T；

適用軌道：I140E/I140V；

裸車整車外形尺寸（長×寬×高）：20m×1.02m×1.4m。

6.單軌吊機車吊移單元支架技術流程

（1）單元支架移設前，先將單軌吊搬運裝置移動至需搬運單元支架的上方，然后對搬運裝置伸縮臂內的伸縮缸進行供液。

（2）將搬運裝置起吊鉤移動至單元支架上方，將搬運裝置兩端起吊鉤與單元支架連接固定，然后接通單元支架的液壓管路，收回單元支架的立柱，拆除連接單元支架液壓管路，收縮伸縮臂內的伸縮油缸。

（3）將單元支架拉移至巷道中心位置，使用單軌吊機車將單元支架挪移至超前支護最前端，使用單體柱對單元支架位置進行微調，然后將單元支架挪移至預定位置。

（4）按此方法隨工作面回采推進依次循環。

三、結論

山寨煤礦25031工作面支護水平顯著高于兩巷支護水平，巷道超前區域采用的單體液壓支柱支護強度低、護頂效果與穩定性較差。通過采用巷道超前支護液壓支架替換單體液壓支柱，有效提高了兩巷超前支護效果，達到了減少工作面兩巷沖擊地壓事故的目的。

25031工作面順槽使用單軌吊機車輔助運輸單元支架，相較傳統的絞車輔助運輸方式，減少了輔助運輸作業人員數量，降低了絞車輔助運輸環節存在的安全風險，提升了礦井的工作效率和經濟效益，工程實踐可為華亭礦區其他礦井提供有益經驗借鑒。