综掘工作面巷道临时支护技术应用研究

李臣

摘 要：采用传统的吊环穿前探梁临时支护方式配合锚杆锚索永久支护下，不能保证马兰矿巷道掘进的安全性，通过对掘进巷道空顶距数值模拟计算，改进了临时支护方案，改进后的临时支护方案适应性强，与掘进工艺相匹配，保证了掘进的安全性。

关键词：巷道掘进;临时支护;永久支护;空顶距

随着矿井采掘设备的快速发展，巷道掘进速度不断提高。为保证掘进工作安全高效的进行，支护是必要的措施，采用临时支护和永久支护相配合的方式对围岩进行控制是最为常见的方式之一。目前，矿井临时支护多采用吊环穿前探梁支护方式，这种支护方式适应性低，当围岩应力较大时，极易造成冒顶片帮事故的发生。马兰矿28307掘进巷道同样采用吊环穿前探梁支护方式进行临时支护，在掘进过程中造成了冒顶片帮事故的发生，影响了掘进的顺利进行，通过改进临时支护方案，實现了支护掘进一体化，保证了掘进的安全性。

1 工程背景

在巷道快速掘进时期，支护是保证安全施工的重要前提。目前对于巷道掘进时期的支护主要有临时支护和永久支护两种，通过锚杆锚索进行永久支护是控制围岩变形的主要支护方法，为了达到快速掘进的目的，很多矿井放弃了临时支护，造成了冒顶片帮事故的发生。马兰矿在巷道掘进的过程中，采用临时支护和永久支护相配合的方式控制围岩的变形。28307掘进巷道断面尺寸为5.1×4.2m，根据巷道尺寸，永久支护方案如下：采用规格为Φ20× 2200mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，巷道顶部支护间距为1000×1100mm，帮部采用规格为Φ18×2000mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，支护间距为1300×1250mm。

临时支护方案如下：工作人员通过在锚杆外螺纹上安装3根前探梁，前探梁直径为70mm，长度为7m，同时配套6个吊环，吊环由直径为80mm钢管加工而成，每个长度为0.2m，将前探梁固定在背顶木板上，安装过程中，保证前探梁之间的间距在2m左右，且接顶必须紧密。随着巷道不断掘进，发现前探梁虽然能及时前窜，但是很难保证与顶板的紧密接触，当顶板发生变形后，前探梁在被动作用下支撑巷道变形，临时支护的强度低，造成冒顶片帮事故发生。

2 掘进巷道空顶距优化

以马兰矿28307掘进巷道为研究背景，根据锚杆排距的不同分析不同空顶距离下巷道围岩的变形特征，进而优化支护参数。模型尺寸为X×Y×Z=45m×50m×45m，数值模拟模型图如图1中（a）图所示，模拟流程如下：

①根据锚杆排距的不同，选取空顶距离为0.9m、1.7m、2.3m、3.1m、4m、4.9m以及5.6m的锚杆排距研究围岩的变形特征;②模型岩层及边界条件如图1中（b）图所示，约束底部水平位移及四周水平方向位移，模型顶部施加初始应力为11MPa，选取侧压系数为1，在模型四周边界施加应力;③模型中巷道断面尺寸为5.1×4.2m，根据实际生产经验，在巷道掘进30m后进行支护，当巷道掘进稳定后，分析围岩变形破坏特征。

为了更直观的观察不同空顶距巷道围岩的变形特征，将模拟结果绘制成图2所示的点线图，从图中可以看出，随着空顶距离的增大，底板位移虽然稍有增大，但是基本维持在0左右，帮部位移和顶板位移随着空顶距离的增加明显增大。当空顶距离为0.9m时，掘进巷道顶板的最大变形量达到24mm，巷道两帮最大位移达到26mm;当空顶距离为1.7m时，掘进巷道顶板的最大变形量达到27mm，巷道两帮最大位移达到30mm;当空顶距离为2.3m时，掘进巷道顶板的最大变形量达到29mm，巷道两帮最大位移达到33mm;当空顶距离为3.1m时，掘进巷道顶板的最大变形量达到31mm，巷道两帮最大位移达到34mm;当空顶距离为4m时，掘进巷道顶板的最大变形量达到32mm，巷道两帮最大位移达到35mm;当空顶距离为4.9m时，掘进巷道顶板的最大变形量达到37mm，巷道两帮最大位移达到41mm;当空顶距离为5.6m时，掘进巷道顶板的最大变形量达到41mm，巷道两帮最大位移达到47mm;当空顶距离大于4m时，巷道两帮及顶板的位移量增加明显，随着掘进扰动的影响，巷道塑性破坏区域增大，不利于掘进工作的进行。出于安全施工考虑，空顶距离维持在3.1m左右需要加强临时支护，同时永久支护可以保证工作人员的安全。

3 临时支架改进研究

为适应马兰矿28307巷道的快速掘进，对原有临时支护进行改进，改进后的临时支护应具备以下优点：

①临时支架应组装方便，具有一定的强度，随着巷道掘进的进行，可以迅速平稳的移动，并支撑起一定范围内的顶板;临时支架在一定支撑强度基础上，应该尽可能的减少所占空间，便于其他工序的有序进行;②随着巷道掘进的进行，临时支架应在横向以及纵向都有一定的调控范围，为适应掘进机械的自动化水平，临时支架的移动应平稳，结构简单可靠。

使用临时支架支护必须适应巷道断面尺寸且与相应机械设备相匹配，本次临时支架选用半框架结构，支护宽度范围为0-5100mm，高度范围为0-4200mm，支护长度最大达到3500mm，配套的掘进机型号为EBZ160A、胶带输送机型号为DSJ100/80/160、传送机型号为DZQ-65/16/11、锚杆钻机型号为MYT-140/320。考虑到支护范围与机器宽度的适应性，临时支架必须具有一定的可调节范围，对于宽度范围的调节，通过在支架中心设置两个反向油缸控制支架的水平支护范围，垂直支护范围则是通过液压立柱实现。为确保临时支架的支护强度，对支架工作阻力进行计算，优化后的临时支架共有4个立柱，每个立柱的工作阻力为260kN，总工作阻力为1040kN。只要保证支护阻力大于冒落矸石的重量便可，定义煤岩容重为26kN/m3，则巷道断面冒落矸石的最大重量为556.92kN，支架的工作阻力远大于冒落矸石的重量，证明临时支护强度满足掘进巷道条件。临时支护的目的是为实现巷道快速掘进提供保障，为此，对现场围岩变形和移架时间进行了观察统计，根据掘进经验，优化后临时支护方案配合永久支护方案下，巷道为冒顶片帮事故的发生，保证了掘进工艺的安全进行，对临时支护方案下支架前移推进时间进行记录2019年8月9日主组前移时间3.4s，副组前移时间4.2s，前移推进平均时间6.7s;11月13日主组前移时间3.5s，副组前移时间4.1s，前移推进平均时间7.3s。由此可知，在巷道掘进时期，支架的平均移架时间较短，且初始阶段工人操作不熟练，随着操作熟练度的增加，移架时间还会进一步缩短，证明了此次临时支护改进的成功性。

4 结论

本文针对马兰矿28307掘进巷道临时支护配合永久支护下巷道冒顶片帮问题严重，影响掘进速度，为此，对不同空顶距下巷道围岩的变形进行了数值模拟，得出空顶距离维持在3.1m左右需要加强临时支护，改进后的临时支护方案与掘进工艺、掘进设备相配合，实现了安全高效的掘进。