莒山礦綜采工作面超前支護(hù)研究與應(yīng)用

李 璐

(山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司,山西晉城 048027)

回采巷道是綜采工作面重要的通風(fēng)、運(yùn)輸通道,其空間的有效維護(hù)對(duì)工作面安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-2]。工作面附近巷道超前區(qū)域圍巖應(yīng)力復(fù)雜,特別是對(duì)于回風(fēng)順槽而言,既受工作面超前集中應(yīng)力影響又受采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力影響,傳統(tǒng)的單體立柱支護(hù)方式很難對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)[3-4]。本文以莒山礦f3101綜采面回風(fēng)順槽為工程背景,對(duì)超前支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析,超前支架進(jìn)行了選型研究,保證了工作面回風(fēng)順槽作業(yè)空間安全。

1 工程概況

f3101工作面所采的3號(hào)煤層位于山西組下部,煤層平均埋深183.1 m,煤層厚5.5 m～8.15 m,平均厚6.18 m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,含0～2層矸石。該煤層穩(wěn)定可采,煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主,局部發(fā)育薄層泥巖偽頂；底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖。工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度150 m,推進(jìn)長(zhǎng)度1 200 m,采用綜放工藝回采,其中采2.0 m～2.5 m,放3.5 m～5.65 m,端頭不放煤。工作面配套MG150/368-WD 型采煤機(jī)割煤,ZF4400/17/28 型液壓支架支護(hù),前后分別配套SGB630/180型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤。

f3101工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)為矩形斷面,巷道沿煤層底板掘進(jìn),掘進(jìn)寬度3.2 m,凈寬3.0 m；掘進(jìn)高度2.6 m,凈高2.5 m,巷道東部為區(qū)段煤柱,寬8 m,西部為本工作面實(shí)體煤,巷道采用錨網(wǎng)支護(hù),支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 煤層地質(zhì)柱狀圖

表1 幫錨桿支護(hù)參數(shù)表

2 超前支護(hù)參數(shù)分析

2.1 支護(hù)強(qiáng)度分析

巷道開(kāi)挖后巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破,巷道圍巖應(yīng)力重新分布,巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,根據(jù)自然平衡拱理論[5-6],巷道頂板一定范圍內(nèi)巖層可成拱自穩(wěn),巷道超前支架支護(hù)阻力應(yīng)為平衡拱內(nèi)巖體自重：

式中：f為擾動(dòng)影響后圍巖普氏硬度系數(shù),取1.6；a1為自然平衡拱的最大跨度,可按式(2)計(jì)算。

式中：a為巷道寬度的一半,取1.6m；h為巷道高度,取2.6m；φ為煤體內(nèi)摩擦角,取28°；

巷道最大圍巖壓力可按下式計(jì)算：

式中：K1為上工作面采動(dòng)殘余影響系數(shù),根據(jù)礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),取1.7；K2為本工作面采動(dòng)影響系數(shù),取1.8；

將各參數(shù)代入計(jì)算得q=151.19 kPa。

圖2 巷道圍巖力學(xué)模型

2.2 支護(hù)距離

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,回采工作面巷道超前支護(hù)距離不低于20 m,根據(jù)以往礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù),f3101工作面回風(fēng)順槽在工作面前方25 m 范圍內(nèi)受材動(dòng)影響急劇增大,在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中,巷道超前支護(hù)范圍不小于采動(dòng)影響范圍,綜合分析,巷道超前支護(hù)范圍取25 m～30 m。

3 超前支架選型

根據(jù)上述分析,結(jié)合f3101 回風(fēng)順槽實(shí)際支護(hù)情況,確定使用3×ZQL2×3500/15/30 型窄型分體式超前支架組進(jìn)行超前支護(hù),支架主要技術(shù)參數(shù)如下：

支架型式：分體式；

支護(hù)范圍：27 m；

支護(hù)高度：1.5 m～3.0 m；

工作阻力：21 000 kN(P=39.6 MPa)；

初撐力：17 500 kN(P=30.0 MPa)

支護(hù)強(qiáng)度：0.24 MPa；

支護(hù)寬度：2.4 m～4.0 m；

控制方式：電液控制

該支架組由3 組6 架組成,雙列分體式布置于巷道兩側(cè),移架步距為800 mm,頂梁相鄰側(cè)裝有側(cè)翻梁。每組支架相鄰兩架之間,頂梁底座之間連接有防倒調(diào)偏油缸,對(duì)應(yīng)底座間連接有雙排推移油缸,互為支撐實(shí)現(xiàn)自移。支架采用窄型四連桿機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)有窄底座、窄連桿及掩護(hù)梁,適應(yīng)回風(fēng)順槽空間運(yùn)輸、安裝等要求,有效降低了風(fēng)阻面積,各支架單元采用鉸接式頂梁、前、后梁、以及挑梁結(jié)構(gòu),挑梁可旋轉(zhuǎn)大于90°,提高了對(duì)巷道頂板支護(hù)的適應(yīng)性。

圖3 3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架組

4 應(yīng)用效果

3×ZQL2×3500/15/30 型窄型分體式超前支架組已用于f3101 回風(fēng)順槽,目前工作面已經(jīng)推進(jìn)300 余米,圖3 為超前支架使用期間立柱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線,由圖可知使用期間支架立柱應(yīng)力基本保持在20 MPa～35 MPa之間,監(jiān)測(cè)期間最大立柱應(yīng)力為37.2 MPa,小于安全閥開(kāi)啟壓力,表明支架工作阻力可以滿足回風(fēng)順槽超前支護(hù)要求。此外,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中巷道頂板最大下沉量為92 mm,兩幫最大移近量為83 mm,整個(gè)使用期間無(wú)壓架現(xiàn)象。此外,在整個(gè)使用期間支架在反復(fù)承載過(guò)程中巷道頂板巖體基本保持完整穩(wěn)定狀態(tài),頂板錨桿及錨索未受破壞。表明3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架可有效維護(hù)回采巷道圍巖穩(wěn)定,保障了工作面回風(fēng)順槽作業(yè)空間的安全。

圖4 超前支架立柱應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合莒山礦3 號(hào)煤層f3101 工作面回風(fēng)順槽實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件,通過(guò)理論分析確定了巷道超前支護(hù)參數(shù),結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)給出了超前支護(hù)距離,確定使用3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架組進(jìn)行超前支護(hù),并進(jìn)行了工程實(shí)踐,具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。