伯方矿回采巷道掘进临时支架选型研究

王 煜

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿，山西 晋城 048002）

回采巷道掘进是矿井生产的重要环节，巷道安全、高效掘进为工作面的开采提供了前提和基础。掘进过程中巷道围岩的有效支护对掘进速度具有重要影响。山西兰花集团股份有限公司伯方煤矿回采巷道采用“悬臂式掘进机+单体锚杆钻机”的掘进作业模式，为了提高巷道的掘进速度，同时保证掘进巷道围岩的有效支护，该矿计划引进并采用掘进巷道临时支护支架对围岩进行临时支护。然而，掘进工作面空间有限，设备种类繁多，实际运行复杂，同时掘进工作面作业人员较多，临时支护支架的合理选择对工作面的安全、快速掘进提出了更高的要求[1-2]。考虑该矿以往尚未使用掘进临时支护支架组，本文针对回采巷道掘进实际技术条件，对工作面临时支护支架进行了选型研究，确定了合理的临时支护支架，为后期支架的设计提供参考。

1 掘进工作面开采技术条件

3305 工作面所采的3 号煤位于山西组下部，下距9 号煤层48.00～52.00 m，平均49.25 m。煤层厚3.78～6.13 m，平均厚5.31 m，结构简单-复杂，含夹矸0～3 层，厚度最大在井田南部的639 号孔，全区可采，厚度变化小，属稳定可采煤层。3305 运输顺槽为矩形断面，净断面积为16.17 m2，净宽5.3 m，净高3.05 m，沿煤层底板布置。巷道顶底板岩层特征见表1。

表1 煤层顶底板情况表

巷道采用锚杆、锚索支护。顶板锚杆为Φ20 mm×2200 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排安装7 根，间距为800 mm，排距为900 mm，靠近两帮侧锚杆与垂直方向夹角为10°，其余锚杆垂直于顶板布置；帮部采用MTS421Φ16 mm×1800 mm型胀套锚杆，每排安装4 根，间距为800 mm，排距为900 mm，帮部最上方及最下方锚杆与水平方向呈10°角，其余锚杆垂直于帮部安装。巷道采用EBZ-150E 综掘机割煤，单体锚杆钻机打设锚杆，配套皮带运输系统运煤，探放水采用钻机型号为ZYJ-500/180 型架柱式液压回转钻机，电机功率11 kW。

2 掘进工作面临时支护支架选型

2.1 临时支护强度

巷道掘进初期，围岩应力会发生重新分布，无支护状态下在巷道顶板一定范围内岩层结构会受到破坏。随着距离掘进工作面距离的增大，顶板岩体破坏范围及破坏深度会逐渐增大，待围岩处于稳定状态后，在顶板岩层的一定范围内会形成一个相对稳定的应力拱。根据自然平衡拱相关理论，掘进巷道临时支护支架组的支护强度应不小于自然平衡拱拱高范围内岩体的重量，即在临时支护支架组的支护作用下，应能有效抵挡顶板拱高范围内岩层带来的压力。

巷道掘进后，在其顶板一定范围内形成的自然平衡拱的高度为[3-4]：

式中：H为拱高，m；f为掘进扰动影响后上覆岩层的硬度系数，取1.8；c为形成自然平衡拱的两拱脚之间的距离，即自然平衡拱的跨度。

自然平衡拱的跨度按照下式计算：

式中：a为巷道两帮部之间的距离的一半，2.65 m；h为巷道的高度，3.05 m；φ为岩体的内摩擦角，取28°。

掘进巷道临时支护强度可按照下式计算：

式中：γ为掘进巷道顶板岩层的容重，取25 kN/m2。

通过计算可得P=62.26 kPa。

为进一步分析掘进巷道围岩的临时支护强度，根据3305 工作面运输顺槽的实际开采技术条件，建立了三维数值计算模型。在巷道掘进初期，对巷道顶板施加62.26 kPa 的力模拟临时支护强度，分析巷道掘进过程中临时支护作用下煤岩体物理力学参数见表2。

表2 煤岩体物理力学参数

图1 为数值模拟所得掘进过程中巷道在临时支护作用下围岩垂直位移云图。由图可知，巷道掘进初期，在临时支护的作用下，巷道顶板最大下沉量约为30 mm。在临时支护作用下顶板下沉量较小，顶板下沉可控，表明临时支护参数合理，在临时支护作用下掘进巷道顶板可以保持较小的变形，可为后期锚杆永久支护提供良好的作用条件。

图1 巷道顶板变形云图

综合考虑理论计算和数值模拟结果，确定3305运输顺槽掘进巷道临时支护强度不低于62.26 kPa。

2.2 临时支护支架组的结构要求

现阶段绝大多数煤矿井下综采工作面回采巷道为全煤巷道或半煤岩巷道，相较于岩巷，煤巷或半煤岩巷道更有利于提高掘进速度，特别是近年来掘进技术的发展与掘进装备的不断进步为回采巷道快速掘进提供了基础[5-6]。考虑优化支护工序与提高掘锚平行作业时间，越来越多的综掘工作面开始应用掘进临时支护支架组。临时支护支架组主要作用为：一方面可以及时维护掘进工作面迎头区域围岩的稳定，有效避免迎头区域顶板局部破碎岩体冒落而造成井下作业人员伤亡和设备的损坏；另一方面，合理的临时支护支架可以为掘进工作面锚杆的安装和锚固提供安全作业空间，同时可以将部分锚杆及锚索的安装作业滞后进行。在临时支护作用下可优化锚杆支护作业工序，提高平行作业时间，从而提高巷道的整体掘进速度。

由于掘进巷道实际作业空间小，设备布置种类繁多，为临时支护支架组结构的合理性提出了更高的要求。一般而言，临时支护支架组布置于悬臂式掘进机的上方，为掘进机上部区域的顶板提供临时支护，为实现掘进工作面顶板的有效支护，临时支护支架组结构应满足如下要求：

1）减少对顶板的破坏。掘进工作面临时支护距离较长，约为10 m 以上，掘进过程中临时支架需要循环移架，应在移架过程中减小对巷道顶板的破坏，以实现后期锚杆的有效支护。

2）快速移架。掘进工作面临时支护支架通过油缸推拉进行移架，考虑降低辅助作业时间，减小顶板空顶时间，应在允许条件下使用大流量油缸，以实现掘进过程中支架的快速移架。

3）紧凑轻便型整体结构。考虑掘进工作面实际作业空间有限，临时支护支架应设计为紧凑型结构，关键结构件不宜过大或过重，以保证掘进过程中临时支护的轻便性和有效性。

4）高可靠性。临时支护支架在设计过程中应使用高强度、高可靠材料，同时对各结构进行可靠性优化研究，以保证临时支护支架的整体可靠。

2.3 临时支护支架选型

在上述研究基础上，结合3305 运输顺槽掘进工作面实际情况，确定选用ZLJ3200/25/32D 型滑移式临时支护支架。该支架设计为整体框架式顶梁，滑移式移架，实际移架过程中可始终保持对顶板的接顶支护，有效避免了移架过程中的空顶现象，实现顶板的实时支护。临时支护支架主要技术参数见表3。

表3 临时支护支架主要技术参数表

3 结语

本文结合伯方煤矿3305 工作面运输顺槽实际开采技术条件，对掘进工作面临时支护支架组进行选型研究，确定了临时支护支架的型号，为后期支架的设计和使用提供参考。后期实际使用过程中应根据巷道围岩稳定程度，对巷道支护参数进行优化。若临时支护过程中出现顶板破碎等情况，应在工作面附近及时打设部分锚杆，以实现临时支架与锚杆对巷道的共同支护，保障围岩的整体稳定，为巷道永久支护提供良好的作用条件。