綜采工作面超前應力區支護優化

常晉峰

（山西煤炭運銷集團晉中有限公司，山西 晉中 030600）

1 15104 工作面概況

山西煤炭運銷集團晉中有限公司掌石溝煤礦15104 工作面位于+830 m 水平，是一采區第四個工作面，該工作面標高+830～874 m，走向長度1003 m、傾向長度132 m，傾角0～12°，平均傾角6°，面積132396 m2；15104 回采工作面位于井田中西部，東邊為15105 運輸順槽保安煤柱，西邊為15103 工作面保安煤柱，北邊為原15101 采空區保安煤柱，南部與一采區三條大巷相連。

15104 工作面回采煤層為15 號層，煤層結構較簡單，有0～2 層夾矸，且上部煤層夾矸厚度變化較大，為0.3～2 m，下部夾矸厚度為0.2～0.3 m。煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 15104 工作面回采的15 號煤層頂底板巖性

15104 工作面于2022 年4 月7 日回采，4 月22 日已回采70 m，工作面回采至60 m 處時位于回風順槽超前30 m 范圍內圍巖出現嚴重變形破碎現象，集中表現在以下幾方面：回風順槽超前5.0 m 范圍內三角煤柱出現大面積垮落，導致尾端出現大面積空頂現象，端頭支架壓力大，局部支架壓力大，為34 MPa；超前應力區原采用單體柱支護，由于受頂板壓力影響，單體柱出現變形、卸壓現象，局部支架頂梁已插入頂板中；回風順槽超前應力區圍巖出現嚴重變形現象，實測頂板最大下沉量達0.44 m，兩幫收斂量最大達0.87 m。

2 超前應力區支護優化

為了解決受初次來壓及周期來壓影響，導致回風順槽圍巖出現嚴重變形的現象，決定對原回風順槽圍巖支護進行合理優化[1-3]。

2.1 原回風順槽支護

2.1.1 巷道永久支護

1）回風順槽原頂板主要采用錨桿（索）＋鋼帶+金屬網聯合支護；巷道寬度為4.5 m，巷道頂板每1.0 m布置一排錨桿鋼帶，每排布置5 根錨桿，長度為2.5 m、直徑為22 mm，錨桿間距、排距均為1.0 m；鋼帶采用橫截面呈W 型的鋼帶。

2）頂板每3.0 m 布置一排錨索，錨索布置間距為1.8 m，錨索采用長度為8.3 m、直徑為17.8 mm 預應力鋼絞線，錨索外露端安裝一塊長度及寬度均為0.25 m鋼托板。

3）回風順槽巷道高度為3.5 m，巷幫煤壁側采用玻璃鋼錨桿支護，錨桿長度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿端頭安裝玻璃鋼托盤；非煤壁側主要采用螺紋鋼錨桿支護，錨桿長度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿外露端安裝一塊W 型鋼帶。

2.1.2 臨時支護

15104 工作面回采期間對回風順槽超前應力區采用單體柱補強支護，每排支設3 根單體柱，單體柱采用“一柱一梁”支護方式，頂梁采用π 型頂梁，單體柱支設間距為1.5 m、排距為1.0 m。

2.2 應力區支護優化

為了提高頂板穩定性，解決原單體柱支護時出現嚴重變形、卸壓現象，決定對回風順槽超前應力區頂板采用可伸縮超前支架支護[4-5]。

1）采用的可伸縮超前支架型號為ZQL-2×3000/19/37，可伸縮超前支架主要由縱梁、伸縮油缸、折疊梁、支撐油缸、操作閥組以及底座等部分組成，如圖1 所示，支架頂梁最大支護強度為1.12 MPa，支護時最大工作阻力為1640 kN。

圖1 液壓可伸縮超前支架結構示意圖

2）折疊梁和2 根液壓伸縮柱安裝在支架頂梁與底座之間，液壓伸縮柱伸縮行程范圍為1.0～1.5 m，采用專用高強度液壓膠管與乳化液泵連接；支架頂梁通過折疊梁實現升降。

3）支架頂梁、折疊梁、支撐油缸以及底座通過液管與集中閥組連接，頂梁伸縮油缸右端與縱梁連接、另一端與頂梁連接，油缸通過供、回液管路與專用控制閥組連接。

4）支架頂梁有效支護長度為5.0 m、寬度為2.5 m，縱梁最大伸縮行程為0.8 m、寬度為0.3 m，縱梁共計4 塊，縱梁與伸縮油缸連接，從而保證伸縮動作。

2.3 支架工作原理

1）首先將支架搬移至指定位置并進行組裝，相鄰兩架支架安裝距離為1.0 m，支架安裝后將各油缸液管與閥組連接，閥組油管與專用液泵連接。

2）超前支架安裝到位后通過控制支撐油缸操作閥組使液壓伸縮柱升起，確保支架頂梁與頂板接觸嚴實，并確保支架具有足夠的初撐力。

3）通過縱梁伸縮油缸操作閥控制作用，使支架4 根縱梁水平伸出，從而對頂梁兩側頂板進行有效支護；隨著工作面前移，液壓支架通過JSDB-25 雙速絞車進行前移。

2.4 超前支護強度驗算

工作面回采期間兩端頭超前應力區圍巖支護在來壓前主要為主動支護，來壓后屬于被動支護。主動支護主要對直接頂載荷進行支撐，被動支護主要對直接頂及老頂部分載荷進行支撐；液壓可伸縮超前支架在支護過程中的支護強度可按式（1）進行計算。

式中：Pt為伸縮支架支護強度；L 為回風順槽超前應力區長度，按20 m 計算；B 為15104 回風順槽寬度，取4.5 m；h1、h2分別為回風順槽直接頂和基本頂厚度，由表1 可知，直接頂厚度為10.15 m，基本頂厚度為5.6 m；p1、p2分別為直接頂和基本頂的巖體密度，取平均值為2.35×103kg/m3；G 為重力常數，取9.81N/kg；K 為頂板來壓系數，取0.6。

將相關參數代入式（1）得：Pt=311kN/m2=0.311MPa。

由此可見，工作面回采過程中當頂板來壓時，頂板對支架最大載荷為0.311 MPa；而液壓可伸縮超前支架設計可承載載荷為1.12 MPa，滿足巷道支護要求。

3 支護優點及應用效果分析

3.1 支護優點

1）支護效果好：與傳統單體柱相比，液壓可伸縮超前支架具有支護截面積大、支護強度高、工作阻力大等優點，解決了單體柱支護時受來壓影響單體柱出現變形、卸壓現象，以及頂梁對頂板切頂破壞作用。

2）自動化水平高：與傳統單體柱及工字鋼棚相比，液壓可伸縮超前支架通過液壓作用控制支架升降，自動化水平高，降低了支護勞動作業強度；而且超前支架可二次利用，避免了傳統單體柱支護時變形嚴重、修復難度大、二次利用率低等技術難題。

3）實用性強：液壓可伸縮超前支架不僅可用于煤礦采掘工作面中，而且可用于隧道、橋梁等領域中，實用性強、應用領域廣。

3.2 實際應用效果分析

4 月22 日對15104 回風順槽超前應力區頂板采用ZQL-2×3000/19/37 可伸縮超前支架，共計安裝4 架，通過3 個月實際應用效果來看，取得以下顯著應用成效：

1）提高了經濟效益：對回風順槽超前應力區采取可伸縮超前支架支護后，順槽內無須支設單體柱，減少單體柱支護數量達60 根，減少了單體柱維修費用達17.8 萬元；支架可重復利用，每班需1 名專人操作即可，與傳統支護相比，每班減少作業人員3 名，全月可減少人工費用9 萬元；同時采用超前支架支護頂板效果好，未出現頂板破碎、冒漏現象，減少巷道二次復修費用達30 余萬元，取得了良好的經濟效益。

2）控制了圍巖變形：15104 回風順槽超前應力區頂板采用傳統單體柱支護時，頂板控制效果差，三角煤柱垮落嚴重；而采用超前支架支護后，有效控制了三角煤柱垮落現象，減小了尾端頭空頂距，應力區順槽頂板下沉量減小至0.14 m，兩幫收斂量減小至0.27 m。

4 結語

掌石溝煤礦對15104 工作面回采期間回風順槽超前應力區圍巖支護進行優化，采用液壓可伸縮超前支架代替傳統的單體柱支護，通過現場實際應用效果來看，該支架具備自動化水平高、支護強度大、故障率低等優點，成功解決了超前應力區圍巖支護困難、支護效果差等技術難題，取得顯著應用成效。