深部大采高综采面巷道超前支护技术研究

唐永志徐 刚李万峰张学亮

（1.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽省淮南市，232001；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013）

深部大采高综采面巷道超前支护技术研究

唐永志1徐 刚2李万峰1张学亮2

（1.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽省淮南市，232001；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013）

以淮南谢桥煤矿深部大采高1242（3）综采工作面为例，阐述工作面斜顶巷道超前支护支架的架型、支护强度、支护长度等，巷道超前支护采用ZQL2×4000/27/56支架，通过现场实际情况分析了超前支架应用的合理性。

工作面巷道 斜顶巷道 超前支架 支护强度 支护距离

大采高综采工作面巷道超前矿压显现强烈、设备布置密集，是大采高综采面维护管理的重点，《煤矿安全规程》规定对超前段要求加强支护，且加强支护的长度不小于20 m。

目前，我国大采高综采工作面巷道超前支护主要有两种方式:一是采用单体液压支柱配合铰接顶梁或长钢梁进行支护；二是采用超前液压支架进行支护。单纯采用单体支柱进行超前支护时，缺点为强度低、效率低、劳动强度大、安全性差且机械化水平低，影响安全高效综采面的推进。研究认为采用超前液压支架支护能够显著减少工作面围岩变形，提高超前支护强度，在有冲击危险的工作面巷道采用超前支架能够起到防冲作用。因此，推广应用超前支架成为大采高综采面安全高效发展的必然要求。

广泛采用大采高综采技术的神东集团大范围推广应用超前支架，取得了较好的使用效果，其他集团公司也广泛采用了超前支架进行支护，大采高综采面普遍向着采用超前液压支架进行超前支护的方向发展，全国各大矿区通过采用巷道超前液压支架，基本解决了地质条件较好工作面巷道的超前支护问题。

随着矿井开采深度的增加，出现了许多受高应力影响的巷道，由于地压大、巷道变形严重等问题，在推广超前支架应用过程中有些问题有待进一步研究解决。

本文以淮南谢桥煤矿深部大采高1242（3）综采工作面为例，阐述工作面斜顶巷道超前支护支架的合理架型、支护强度和支护长度等，通过现场实际应用分析了超前支护的合理性。

1　工作面概况

淮南矿业集团谢桥煤矿位于阜阳市颍上县，西邻国投新集刘庄煤矿。谢桥矿1242（3）回采13-1煤层，东起西翼C组采区下山，西至F5-1边界断层，北邻1232（3）轨道巷，南至13-1煤层-658 m底板等高线。地面标高+19.1～+26.8 m，回风巷煤层底板标高为-524.3～-559.4 m，轨道巷煤层底板标高为-619.3～-657.4 m，工作面走向长2923.8 m，倾斜长362.9 m。煤层厚度平均5.1 m，煤层倾角平均15°。直接顶为泥岩、砂质泥岩、13-2煤层及煤线复合顶板，厚度0～12.2 m，平均厚度8.4 m，基本顶为细砂岩，厚度1.8～11.5 m，平均厚度3.8 m，局部区域直接覆盖在13-1煤层之上。工作面采用ZZ13000/28/65D型液压支架，配套JOY 7LS6C型采煤机、SGZ1000/3×1000型刮板输送机、SZZ1200/700型转载机、PCM375型破碎机、DSJ120/200/4×355型带式输送机。

工作面轨道巷与回风巷平行布置，回风巷阶段煤柱平距为8.1 m，回风巷沿煤层顶板施工，采用锚联网支护，巷道断面为直墙斜顶梯形，断面尺寸5.7 m×3.2 m（净宽×中高）。回风巷顶部采用4.8 m长的M5钢带与1.2 m长的M5钢带搭接、配合7根ø22 mm×2500 mm锚杆进行支护，锚杆间排距900 mm×900 mm。巷道顶板锚索按555形式布置，每排5根锚索，锚索规格ø22 mm× 6200 mm，每排锚索配锚索梁，锚索间排距1100 mm×900 mm。

轨道巷为机轨合一，带式输送机靠近上帮布置，轨道靠近下帮布置。轨道巷沿煤层顶板施工，采用锚联网支护，巷道断面形状、尺寸和锚杆支护同回风巷。顶板锚索按333型式布置，压力显现明显地段按444、3535的方式布置，锚索规格ø22 mm×6200 mm，配合锚索梁，锚索间排距1200（1100）mm×900 mm。

2　超前支护型式分析

大采高综采工作面采用超前支架优势明显，从其他矿区的使用经验看，超前支架的应用是高产高效大采高综采面的标准配置，取得了较好的效果。1242（3）大采高综采工作面超前支护采用超前支架。超前支架的形式多样，较为典型的有左右片迈步式自移超前支架（多用于运输巷骑转载机布置）、四柱支撑掩护式超前支架（前后两架互相推拉移架）。在地质条件好的矿井，超前巷道顶板平整，应用较多的为左右片迈步式自移超前支架。

由于谢桥矿1242（3）综采工作面轨道巷与回风巷均为斜顶，若采用左右片迈步式自移超前支架，则由于顶板有一定的倾角，接顶不实，会导致超前支架的支护效率降低，且对顶梁结构产生不利影响。

从1242（3）工作面轨道巷与回风巷断面形状以及工作面的布置看，带式输送机靠近工作面，六柱式超前支架能够将倾斜顶板全部进行有效掩护。又由于工作面轨道巷设备多，配套尺寸要求高，而回风巷沿空布置，回风巷变形量较大，一般可达1 m以上，充分考虑这些因素后认为采用能够适应斜顶的六柱式超前支架合理可行。因此，工作面轨道巷与回风巷选用ZQL2×4000/27/56型超前支架，三架一组，轨道巷与回风巷各3组。超前支架结构如图1所示。

图1　超前支架结构示意图

超前支架主要参数:支架高度2.7～5.6 m，支架宽度3.99～6.66 m，支架中心距5.46 m，支架工作阻力8000 k N，支护强度0.4 MPa，推移行程0.9 m，伸缩梁行程0.4 m，操作方式为本架控制。超前支架在工作面的布置示意图见图2，轨道巷超前支架支护断面图见图3。

3　超前支护合理支护强度

合理支护强度的确定是超前液压支架选型及成功应用的关键。合理支护强度的确定有多种理论和方法。本文考虑巷道顶板垮落的极端条件和锚杆、锚索的残余支护强度，通过理论计算选取合理的超前支架支护强度。

工作面的超前支护强度由两部分支护构成:一是锚杆、锚索的支护，二是超前支架的支护。

图2　超前支架在工作面的布置示意图

图3　轨道巷超前支架支护断面图

按照巷道顶板上方直至基本顶发生垮落的极端情况进行分析，超前支护的支护强度计算:

式中:P——巷道所需支护强度，MPa；

q冒——直接顶岩层自重应力，MPa；

Kd——巷道动载系数，取1.5；

γ——体积力，取25 k N/m3，

h——覆岩破坏高度，取7.9 m。

α——煤层倾角，取15°。

将相关数据代入式（1）和式（2）计算得巷道所需支护强度为0.29 MPa。

轨道巷顶板每排布置有7根顶锚杆，排距0.9 m，5根锚索，排距0.9 m。受采动影响后，锚杆支护的支护强度进一步降低，有效系数取0.5，锚杆的拉拔力设计为125 k N，则每根锚杆残余支护力为62.5 k N，7根锚杆的残余支护力为437.5 k N；锚索张拉力设计为250 k N，有效系数取0.8，则每根锚索残余支护力200 k N，5根锚索的残余支护力为1000 k N；7根锚杆和5根锚索支护面积为5.13 m2（巷道宽度5.7 m、长度0.9 m），则锚杆锚索提供残余支护强度（残余支护力/支护面积）为0.28 MPa。

前述计算得到巷道所需支护强度为0.29 MPa，锚杆锚索残余支护强度提供0.28 MPa，则需超前支架提供的支护强度至少为0.01 MPa。

另一种计算方法是有学者认为超前支护强度应按采面中部支护阻力的60%为原则选取，工作面合理支护强度约为1.1 MPa，则超前支护强度0.66 MPa，锚杆锚索残余支护强度提供0.28 MPa，需超前支架提供支护强度为0.38 MPa。

ZQL2×4000/27/56型六柱超前支架支护强度为0.4 MPa，满足要求。

4　合理超前支护范围

对于超前支护距离的确定，除了严格按照 《煤矿安全规程》要求的不小于20 m执行外，对于矿压显现强烈的煤层或特殊开采条件的煤层可以采用理论分析和现场实测等方法确定，主要依据超前支承压力分布和巷道变形情况。大采高综采工作面的采动影响范围大，对超前支护提出了新的要求。多个煤矿的回采实践表明，大采高综采工作面采动影响范围一般大于20 m，有些甚至达到60 m以上，由于超前巷道一般采用锚网支护，具备一定的承载能力，因此，超前支架支护段一般满足靠近工作面影响较为强烈的区域的支护要求即可。对于无回采经验的工作面，多采用数值模拟分析超前段的影响范围。

谢桥矿及其他类似工作面的回采经验表明，超前巷道矿压显现剧烈的范围多在工作面前方20 m范围内，超前巷道加强支护一般取30 m即可满足回采要求。

综上分析，确定超前支架支护范围按不少于30 m考虑。前述采用的ZQL2×4000/27/56型六柱式超前支架，采用三架一组，设计长度每组18.817 m，则需要两组即可满足要求。实际轨道巷与回风巷采用各3组，超前支护范围满足要求。

5　超前支架应用效果

谢桥煤矿是首次采用该种型式的超前支架，也是该型支架首次在淮南地区应用。采用该种超前支架，工作面超前维护每班只需要2人即可完成超前支架前移等工作，而原先采用打双排单体液压支柱（排距1 m、柱间距1 m）进行维护，至少需要6人，极大地节省了人力成本；同时，移架速度快，能够满足工作面的推进要求。

监测超前支架立柱受力情况表明，轨道巷与回风巷的超前支架均表现出了低初撑力、高工作阻力的特点，矿压显现明显处位于工作面超前13.4 m范围内。

超前支承压力的实测表明，回风巷支承压力影响范围可达53 m，轨道巷支承压力影响范围可达78 m，峰值位置在工作面前方6 m，影响明显段位于工作面前方36 m。

巷道变形情况显示轨道巷总体变形量不大，顶底及两帮移近量均在350 mm以内。由轨道巷超前支架支护断面设备配套图得知（见图3），轨道巷超前支架与转载机之间的自由空间为575 mm，自由空间小，对工作面控制刮板输送机上窜下滑的要求高。工作面回风巷为沿空留巷，同时受到工作面推进速度缓慢、停产检修时间过长等多方面影响，超前支护段顶底及两帮移近量均在500 mm以上，实际使用过程中发生回风巷超前支架被挤住，回风巷超前支架拉移困难。

为避免再次发生沿空回风巷超前液压支架被挤死，制定了预防方案，合理控制工作面的推进速度，以减少超前支撑压力影响明显段的变形量；改变超前支架的推移方式，将采用的升降顺序迈步前移改变为少量降柱迈步前移，降低超前支架反复支撑对沿空巷道顶板原有支护系统的破坏；工作面停产期间需要适当前移超前支架；若以上均不起作用，采取适当的刷扩煤帮措施。

6　结论

（1）对于深部大采高斜顶异形断面巷道采用能够适应斜顶特点的超前支架进行超前支护是可行的。

（2）从现场应用来看，超前支架的型式、支护强度、超前支护距离等参数选择合理。

（3）在变形较大的沿空巷道中采用超前支架支护必须对配套尺寸及可能的巷道变形进行充分估计，否则容易出现挤死支架现象，极大降低超前支护的应用优势。

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（责任编辑 张毅玲）

Research on forepoling protection technology in roadways of deep fully mechanized mining face with large mining height

Tang Yongzhi1，Xu Gang2，Li Wanfeng1，Zhang Xueliang2
（1.Huainan Mining Industry（Group）Co.，Ltd.，Huainan，Anhui 232001，China；2.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Taking the No.1242（3）deep fully mechanized mining face with large mining height in Xieqiao Coal Mine of Huainan Mining Group for example，the type and supporting intensity parameters and supporting length of forepoling were elaborated，and the ZQL2×4000/ 27/56 type forepoling was adopted.Based on the site actual conditions，the rationality of forepoling application was analyzed.

roadway of mining face，roadway with inclined roof，forepoling，supporting intensity，supporting length

TD355

A

唐永志（1962-），男，安徽淮南人，教授级高工，硕士，现任淮南矿业（集团）有限责任公司总工程师，从事矿山建设及矿井生产技术管理工作。