采煤工作面超前段围岩变形控制技术研究

周跃飞

(山西焦煤西山煤电镇城底矿，山西 太原 030203)

顶板事故是矿井主要安全事故类型之一，给煤炭回采带来一定制约[1-2]。众多研究学者以及工程技术人员对回采巷道顶板、采面顶板控制展开研究，但是研究重点主要集中在巷道支护参数优化以及采面顶板管理方面，对采煤工作面超前支护方面研究相对较少[3-5]。现阶段采煤工作面超前支护方式主要采用工字钢、单体支柱构成迈步式抬棚进行支护，存在劳动强度大、支护强度低等缺点，无法满足采煤工作面高效、快速推进的需求[6-7]。超前支护支架具有自动化程度高、支护距离长、适应性强以及支护强度高等优点，在采煤工作面超前支护中应用不断增加[8]。为此，文中就对31103采煤工作面超前支护存在问题进行分析的基础上，提出通过超前支护支架对回采巷道超前支护段围岩进行控制，现场取得了较好的应用成果。

1 工程概况

31103采煤工作面回采的11号煤埋深平均520 m，厚度5.5～6.8 m(均值6.08 m)，煤层赋存较为稳定，倾角5～12°，煤层结构简单，中间夹杂有2～5层泥岩、炭质泥岩夹矸。11号煤层顶底板岩层以炭质泥岩、砂岩、石灰岩为主，顶板较为稳定。煤层顶底板岩性参数见表1。31103采煤工作面设计走向推进距离1 260 m、倾斜长度150 m，采用综放开采工艺，采高2.5 m，采放比1∶1.4～1∶1.96，端头不放煤。工作面煤炭开采设备主要为：采煤机MG150/368-WD、综放支架ZF4400/17/28、刮板输送机SGB630/180。31103采煤工作面回采巷道断面均为矩形，净高、净宽分别为2 500 mm、3 000 mm，围岩支护采用锚网索方式。

表1 煤层顶底板岩性参数

2 回采巷道原超前支护方案及存在问题分析

2.1 超前支护方案

根据《煤矿安全规程》相关规定，回采巷道超前支护应在20 m以上。根据以往11号煤层矿压监测数据，预测31103采煤工作面回风巷在超前采面前方25 m范围内受采动影响明显。因此，在实际支护中，31103回风巷超前支护距离控制在25 m。回风巷超前支护段采用铰接钢梁、单体支柱按照一梁三柱方式支护，并通过工字钢底梁、圆木辅助支护，每根铰接梁上均布置2根长度2 600 mm半圆木，纵向布置3路，具体超前支护断面如图1所示。

2.2 超前支护问题分析

受31103采煤工作面回采动压影响，回风巷超前支护段围岩变形量较大，单体支柱受力较大，部分甚至出现倾斜、压弯问题，一些铰接钢梁由于销钉错断甚至失去顶板支护能力。现场监测发现，巷道顶底板、两帮最大变形量分别可达到349 mm、427 mm。采面超前支护段支护强度低，支护材料消耗量大、难以实现整体回收。在铰接钢梁上通过布置半圆木强化顶板支护，在顶板来压时容易出现破断问题。采用工字钢作为单体底梁(沿纵向布置)，受到底板底鼓影响，工字钢底梁出现翘起问题。

整体来说，31103采煤工作面回风巷超前支护段使用的围岩变形控制方案存在劳动强度大、支护强度低、支护材料消耗量大等问题，难以满足31103采煤工作面高效推进需求。

图1 超前支护示意(mm)

3 超前支架应用分析

3.1 超前支架结构

根据上述分析并结合31103回风巷现场实际情况，提出采用3×ZQL2×3500/15/30超前支架对回风巷进行超前支护，具体选用的超前支架规格参数见表2。

表2 超前支架规格参数

回风巷超前支护采用3组6架支架构成，支架置于回风巷两侧，移架步距800 mm。邻近支架有调偏、防倒的油缸，底座间有双排推移油缸，可实现自移架。支架结构为窄型四连杆，包括窄底座、掩护量以及连杆，满足回风巷空间狭小的需求，降低了超前支架通风阻力；超前支架前、后梁及顶梁均为铰接式结构，挑梁最大旋转角超过90°，对巷道顶板条件有较好适应性。

图2 超前支架示意

3.2 现场应用效果分析

3.2.1 超前支架工作阻力

31103回风巷超前支护采用3×ZQL2×3 500/15/30超前支架，截止到2021年5月，该采面已顺利推进超过300 m，超前支架均运行平稳。监测超前支架工作压力，具体监测结果见图3所示。从监测结果看出，在使用期间超前支架立柱压力在20～35 MPa，在正常使用期间安全阀均未开启，表明超前支架可满足需要。采用超前支架后超前支架移架速度较快，移架耗时控制在1 h以内。

图3 超前支架工作阻力监测曲线图

3.2.2 超前支护段围岩变形情况

在使用过程中对超前支护段围岩变形情况进行监测，具体监测结果如图4所示。从监测结果得出，随着与采面间距增加，超前支护段围岩变形量呈降低趋势；超前支护段巷帮变形量明显高于顶板下沉量，主要是由于采用的超前支架对顶板具有较高的支护强度，而巷帮则未进行支护。监测期间顶板最大下沉为15 mm、两帮最大移近量为80 mm，变形量较小。

图4 围岩变形监测结果图

4 结 语

31103采煤工作面回采期间，回采巷超前支护段采用的单体、铰接钢梁以及原木组合支护方式，采用的超前支护方式存在支护强度低、劳动强度大等问题，在采动压力作用下出现围岩变形量大、支护材料损坏等问题，难以满足采面高效推进需要。

结合回风巷现有条件，超前支护使用3×ZQL2×3 500/15/30超前支架，该支架具有支护强度高、自动化程度高、通风阻力小等优点，现场应用后巷道顶板下沉量在15 mm以内、两帮移近量在80 mm以内，变形量整体较小；同时液压支架工作阻力均在允许值范围内，使用期间未出现安全阀开启情况；超前支架拉架在1h之内即可完成且实现自动移架，回风巷超前支护需要的作业人员也较少、劳动强度明显降低。