智能化采煤工作面超前段錨索補強支護技術研究

郭振勇

（山西焦煤山煤國際豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

煤炭資源作為我國重要的能源形式之一，其在國民生產生活中占據重要地位。伴隨著開采深度及開采規模的不斷加大，工作面開采的問題逐步顯現。由于工作面開采，此時工作面前方的煤體受力環境改變，應力重新分布，出現應力集中現象，嚴重時造成巷道圍巖破壞和變形。因此，回采巷道超前段的補強支護對于保障工作面人員安全至關重要。隨著綜采面智能化、機械化程度的大幅度提升，此時運輸、通風和開采均對巷道穩定性提出了更高的要求，傳統的超前支護方式難以滿足礦井安全高效開采，制約著工作面向無人化、智能化發展[1-2]，提升工作面超前支護效率及穩定程度成為時下研究的重要課題。為提升工作面超前支護穩定性及可靠性，本文基于傳統單體液壓支柱、自移式支架支護方式，提出超前段錨索加強支護技術[3-4]，通過在原支護方案上補打錨索，提升巷道穩定性，為智能化工作面建設作出貢獻。

1 模擬分析

為響應國家智能化發展要求，建立了2901 智能工作面，通過智能工作面監控系統及控制系統配合完成采煤工作智能化任務。智能控制系統通過生成的采煤智能截割線替代傳統記憶割煤方式，提高了智能采煤的可靠性；智能監測系統對礦井進行實時礦壓監測，在提升監測精度的同時降低了人工測量工作強度。智能化工作面的采煤機為MG500/1130-MD3 型、液壓支架為ZY6800-16/35D 型、變頻一體機乳化泵為BRW500/31.5 型、刮板輸送機為SGZ800/2X 700型。控制系統負責監控采煤機、液壓支架運行工況，同時對采煤機、液壓支架等啟停進行控制，實現控制同步。

基于懸吊理論，建立巷道支護模型，通過計算可知，為保證回采巷道頂板穩定性，其支護強度需要達到137.89 kPa，而巷道頂板原支護強度根據計算可知僅為101 kPa，無法滿足巷道頂板正常回采的需求，所以需要對其進行支護補強，支護補強的強度最低為36.89 kPa。為了研究補強支護最佳方案，采用數值模擬軟件對補強支護方案進行模擬研究，選定最佳支護補強方案。

根據工作面實際條件建立三維模型，長、寬、高尺寸分別為200 m×200 m×100 m，煤層的傾角為10°，對模型的四周進行固定約束設定，同時對模型底端進行固定，在模型的頂端施加均布荷載7.5 MPa，完成邊界約束設定后對模型進行力學參數設定，力學參數依據實際試驗測試所得。分別給出四種支護方案，支護方案參數如表1 所示。

表1 支護參數方案

首先對原支護方案下回采100 m 時，工作面超前40 m 范圍內的應力進行分析，工作面不同超前距離下的垂直應力曲線如圖1 所示。

圖1 工作面不同超前距離下的垂直應力曲線

從圖1 中可以看出，超前應力根據應力大小可分為三個區域，分別為超前0～1.96 m 時的應力減壓區，1.96～42.4 m 范圍內的應力增壓區以及超過42.4 m后的應力穩壓區。在應力增壓區內，垂直應力呈現先快速增長后下降的趨勢，在超前6.6 m 處達到峰值應力為23.6 MPa，此時的應力集中系數為2.36；當超前工作面30 m 時，此時的垂直應力降低至10 MPa 左右，最終超前影響范圍為42.4 m 以內，所以對超前支護補強的范圍為超前43 m 內。

對四種支護方案下的頂板離層量、底鼓量以及兩幫移近量進行對比分析，選取工作面超前7 m 處的巷道變形曲線如圖2 所示。

圖2 工作面超前7 m 處的巷道變形曲線

從圖2 可以看出，四種方案下巷道頂板的離層量分別為43.1 mm、52.7 mm、39.4 mm、37.3 mm，方案3和4 的頂板離層量最小，方案2 的頂板離層量最大；四種方案下的巷道底鼓量分別為94.2 mm、106.1 mm、80.1 mm、72.3 mm，可以看出此時的方案3、4 巷道底鼓量控制較佳；四種方案的幫部移近量分別為43.0 mm、45.1 mm、35.0 mm、30.1 mm，此時同樣可以看出方案2變形量最大，而相對應的方案3、4 的巷道兩幫變形量仍是最小，方案4 布置效果最佳。綜合分析可知，當選用方案4 時支護補強效果最佳。

根據模擬結果對原有支護方案進行優化，優化后的工作面回風巷斷面支護如圖3 所示。

2 應用研究

對優化支護后的段落進行智能化監測，監測采用多參數綜合智能監測，有效降低了由于人員操作造成的誤差，提升了監測的精度。多參數綜合智能監測系統示意圖如圖4 所示。

圖4 多參數綜合智能監測系統示意圖

根據監測方案對回風巷圍巖的變形情況進行監測，繪制回風巷圍巖變形曲線如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，回風巷表面位移量均呈現隨著超前距離的增大而逐步減小的趨勢，受超前支撐應力的影響，在超前30 m 范圍內，此時的巷道圍巖變形速率均呈現較大的幅度變化，巷道兩幫的變形量分別為134 mm、120 mm，此時巷道底板及頂板最大位移量分別為170 mm、81 mm；而在超前30 m 之外，巷道圍巖的最大變形量不超過60 mm。此時巷道頂板的完整性及兩幫完整性均未發生明顯的變化，錨索支護有效地補強了巷道頂板的的穩定性，設計的補強方案能夠有效保障回采工作面穩定性。

3 結論

1）超前應力根據應力大小可分為三個區域，分別為超前0～1.96 m 時的應力減壓區，1.96～42.4 m 范圍內的應力增壓區以及超過42.4 m 后的應力穩壓區，在超前6.6 m 處達到峰值應力為23.6 MPa。

2）對四種方案下巷道頂板離層量、底板底鼓量幫部移近量進行分析，確定補強支護方案4 補強效果最佳。

3）回風巷表面位移量均呈現隨著超前距離的增大而逐步減小的趨勢，經過優化后巷道兩幫的變形量分別為134 mm、120 mm，此時巷道底板及頂板最大位移量分別為170 mm、81 mm，錨索支護有效地補強了巷道頂板的穩定性。