综采工作面吊移式超前单元支架实践应用

文/王 伟

煤矿井下综采工作面的巷道超前支护是事关煤矿安全高效生产的关键环节。随着综采工作面机械化程度不断提高，综采工作面推进速度不断加快，给综采工作面超前支护的安全性带来了严峻考验。同时，随着煤炭开采技术的发展，综采设备以及液压支架单件的重量越来越大，如何在工况条件复杂的巷道中安全高效运输设备，是当前井下辅助运输系统所面临的一大挑战。华亭煤业集团山寨煤矿在25031工作面应用巷道超前支护液压支架来代替传统单体液压支架支护，并利用单轨吊机车进行起吊运输支架，取得了良好效果，具有推广应用价值。

一、现有支护效果分析

目前，我国大部分综采工作面两巷超前支护区域采用“单体液压支柱＋金属梁”形式支护，支护强度低、稳定性差，易造成安全事故。

山寨煤矿25031工作面回风顺槽煤壁向外33m范围内巷道支护采用5副ZQ9600/25/38型超前液压支架支护，33～87m范围内巷道支护采用DFB3400“π”型长钢梁配合单体柱打设“一梁两柱”横向抬棚支护。本文以综采工作面液压支架、巷道超前支护液压支架和巷道单体液压支柱等典型支护形式为例，从支护强度、护顶效果以及支护稳定性三个方面进行分析。

1.支护强度匹配分析

在支护强度方面，通过对25031工作面液压支架、巷道超前支护液压支架和巷道单体液压支柱等不同支护结构支护强度的对比分析，可知综采工作面围岩支护强度显著大于两巷超前支护强度。

2.护顶效果匹配分析

在护顶效果方面，当支护强度一定时，支护结构与顶板接触面积增大，能提高顶板主动支护荷载分布的均匀性，避免局部应力集中或支护力不足。25031综采工作面液压支架顶梁尺寸为4325mm×1750mm，单架顶梁接顶面积占平均控顶区域面积的83.58%；巷道超前支护液压支架顶梁尺寸为7245mm×1200mm，单架双顶梁接顶面积占支护巷道顶板面积的4 8%；巷道单体液压支柱配合柱帽或金属梁使用，柱帽直径为30 0mm，金属梁长宽为3400mm×100mm，与顶板接触面积分别占支护巷道顶板面积的4.24%、5.6%。因此，从支护结构接顶面积角度分析，单体液压支柱接顶效果最差，增加了工作面与两巷支护护顶效果的不匹配性。

3.支护稳定性匹配分析

在支护稳定性方面，25031综采工作面液压支架重心低，接顶面积大，相邻液压支架连接紧密，支架在支护和移动过程中具有很高的稳定性，不容易发生侧翻、倾倒。巷道超前支护液压支架重心低，有较大接顶面积，相邻支架为前后连接，具有较高的稳定性，但在一些底鼓、顶板不平整围岩条件较差的巷道中，支架稳定性有待优化。巷道单体液压支柱重心高，接顶面积小，整体结构强度低，稳定性较差。因此，综采工作面液压支架稳定性要显著高于巷道超前支护液压支架与巷道单体液压支柱。

综上分析，在支护强度、护顶效果以及支护稳定性等方面，25031工作面支护均优于两巷支护。与巷道超前支护液压支架相比，单体液压支柱支护强度低、护顶效果与稳定性差，增加了工作面与两巷支护的不匹配性。

二、工程实践

1.技术依据

《综采综放工作面超前支护系统技术条件》（GB/T37611—2019）中尾变首式超前支护技术要求规定：超前支护技术适合大断面、大变形回风巷道，超前支护距离大于60m时推荐采用。超前支护单元宜采用低初撑力、高工作阻力设计。“低初撑力、高工作阻力”支护原理实现方法：降低超前支架进液管路中的进液压力，达到立柱设定压力自动停止供液。

2.设备选型及技术参数

参照我国巷道超前支护液压支架的分类，支架特征、优缺点及适用条件，通过分类对比、巷道超前支护计算、支护强度验算，最终确定25031工作面巷道超前液压支架选型为：两柱支撑式单元支架进行超前支护。根据25031综采工作面实际及巷道布置，最终确定单元支架主要技术参数：

支架型号：ZQ4000/20.6/45；

支架高度：2060～4500mm；

支护高度：支架最高-200mm，支架最低+400mm；

前后排距：2.2m；

支护强度：0.88MPa（平均）；

支护初撑力：3082kN ；

支护工作阻力：4000kN；

支架对底板比压：2.8MPa；

操作方式：手动控制；

泵站压力：31.5MPa；

支架重量：约4.5t；

底座长度及宽度：1800mm、940mm；

顶梁长度及宽度：1600mm、520mm。

3.超前单元支架布置方式

单元支架采用由里向外逐架沿巷道中线两侧布置，巷道一侧每两副超前单元支架中心距为2400mm，支护高度为2060～4500mm，两侧单元支架底座中心距为2850mm，单元架距巷道上、下帮距离为305mm，且排成直线，偏差不超过100mm。

4.超前单元支架挪移方式

（1）《综采综放工作面超前支护系统技术条件》（GB/T37611—2019）尾变首式超前支护技术要求规定：超前支护距离大于50m时,推荐采用单轨吊运方式；底鼓变形严重、有积水巷道宜采用单轨吊运方式。

（2）通过对比现有辅助运输（无极绳绞车），工作面顺槽采用单轨吊机车运输，主要有如下重要性和优越性。

①单轨吊机车易于维修。

②单轨吊机车的安全性高。单轨吊机车具有多层保护系统，例如压力保护系统、温度保护系统和制动保护系统，其占据煤矿作业的上层空间，安全稳定系数较高，且在单轨吊机车的巷道中进行货物装卸时，可以实现准确定位，消耗的人力和物力都较少。

③单轨吊机车的灵活性高。单轨吊机车机动性强，能够随时启动和制动，在作业起吊重物时，能够在运行路线上进行快速装卸运行，且灵活性高，载重量相对较大。

5.单轨吊机车性能参数

结合25031综采工作面实际，确定选用DX80/48防爆特殊型蓄电池单轨吊机车进行辅助运输。主要性能参数如下：

适用坡度：≤15°；

额定牵引力：80kN；

最小制动力：120kN；

最小水平转弯半径：4m；

最小垂直转弯半径：10m；

机车总功率：57kW；

驱动电机总功率：8×6kW；

调速方式：变频无极调速；

空载最大运行速度：2m/s；

蓄电池容量：560Ah；

蓄电池电压：252V；

制动方式：失效制动+电气保护；

行驶操作：双向双司机室；

驱动部底端距轨道底高度：≤0.65m；

机车自重：13T；

适用轨道：I140E/I140V；

裸车整车外形尺寸（长×宽×高）：20m×1.02m×1.4m。

6.单轨吊机车吊移单元支架技术流程

（1）单元支架移设前，先将单轨吊搬运装置移动至需搬运单元支架的上方，然后对搬运装置伸缩臂内的伸缩缸进行供液。

（2）将搬运装置起吊钩移动至单元支架上方，将搬运装置两端起吊钩与单元支架连接固定，然后接通单元支架的液压管路，收回单元支架的立柱，拆除连接单元支架液压管路，收缩伸缩臂内的伸缩油缸。

（3）将单元支架拉移至巷道中心位置，使用单轨吊机车将单元支架挪移至超前支护最前端，使用单体柱对单元支架位置进行微调，然后将单元支架挪移至预定位置。

（4）按此方法随工作面回采推进依次循环。

三、结论

山寨煤矿25031工作面支护水平显著高于两巷支护水平，巷道超前区域采用的单体液压支柱支护强度低、护顶效果与稳定性较差。通过采用巷道超前支护液压支架替换单体液压支柱，有效提高了两巷超前支护效果，达到了减少工作面两巷冲击地压事故的目的。

25031工作面顺槽使用单轨吊机车辅助运输单元支架，相较传统的绞车辅助运输方式，减少了辅助运输作业人员数量，降低了绞车辅助运输环节存在的安全风险，提升了矿井的工作效率和经济效益，工程实践可为华亭矿区其他矿井提供有益经验借鉴。