侯 波

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司， 山西 晋城 048000）

引言

回采巷道是煤矿井下综采工作面通风及运输的重要安全空间和通道，其围岩的稳定对工作面安全作业和快速推进有十分重要的意义。超前采动影响下巷道围岩，破坏变形严重。保持超前区域巷道围岩的稳定是工作面的重要作业和关注对象，煤矿安全规程规定煤矿井下综采工作面回采巷道超前支护长度不低于20 m[1-4]。为实现工作面巷道超前安全支护，本文以莒山矿9201 工作面回风顺槽为研究背景，分析了工作面超前支护技术，为后期安全高效开采提供基础。

1 开采技术条件

9201 工作面为莒山矿二盘区首采工作面，工作面倾向长度为180 m，推进长为1 560 m，所采煤层平均厚度为1.18 m，煤层顶板为粉砂质泥岩砂质泥岩，底板为泥岩及砂质泥岩。9201 回风巷设计为矩形断面，巷道宽度为4.0 m、高度为3.1 m，巷道沿9 号煤层顶板布置。

2 超前支架选型

目前煤矿井下综采工作面超前支护主要使用单体液压支柱整体式超前支架组和迈步式超前支架组。单体液压支柱通常配合金属交接顶梁进行组合使用，根据工作面超前采动影响区域长度及超前采动影响范围，确定单体液压支柱的超前支护范围，支护时将单体液压支柱按照一定的间距布置于巷道内，通常间距为0.7~1.2 m，排距为0.8~1.2 m，超前支护长度不低于20 m，通常超前支护距离为30~60 m，部分矿井超前支护长度可达120 m。目前单体液压支柱超前支护多数通过人工支设，实际作业过程中所需人工多，劳动强度大，同时不同人工支护作用时，不能保证单体支柱具有均匀的初始支护强度，支护过程中单体立柱支护强度不均匀，实际支护效果并不理想。

超前支架组通过液压系统控制，加之目前采用先进的电液控制系统，可实现巷道超前支护范围内快速自移和及时支护，由于支护效率的大幅度增大，使井下作业人员数量大幅度减少，同时降低了井下作业人员的劳动强度，适应了综采工作面的快速推进和高产高效作业的安全高效超前支护要求，近年来国内许多综采工作面的超前支护采用了不同型号的超前支护支架组，取得了良好的应用效果[5]。

整体式超前支护支架组由前后两架或三架支架通过推移油缸连接，单个支架顶梁设计为整体式顶梁，实际支护时顶梁会与巷道顶板充分接触，移架过程中需要移架支架全部卸载降架，以相邻支架为支点向前推拉；由于支架顶梁设计为整体式，支架卸载时会出现大范围空顶，当顶板稳定性较差时会有顶板冒落的危险，此外，在反复承载、卸载的过程中支架顶梁会对顶板锚杆支护系统造成破坏，一方面会加剧支架对巷道顶板的破坏，另一方面巷道顶板锚杆支护系统受到破坏后巷道进入采空区，顶板仍然保持稳定而无法完全垮落，造成工作面端头区域风流泄漏或者采空区有害气体进入工作面，对工作面安全通风产生一定的影响。整体式超前支架组适用于巷道顶板稳定性好的巷道，同时对于坚硬整体顶板的巷道使用效果也较好，对于中等稳定顶板或破碎顶板而言，整体式超前支架组实际使用效果并不太理想。

分体式超前支架组每一组由并列的左右两架支架组成，左右两架支架通过横向油缸连接，前后各组液压支架组通过推拉油缸纵向连接[6]。同一组支架的顶梁和底座设计为分体式，顶梁主要设计为超长窄型结构，顶梁侧方设计有侧翻梁，由于分体式支架单个单元的长度较长，横向宽度较小，实际支护过程中可能会发生左右偏移，为增大支架整体稳定性，在同一组并列布置的支架之间通过防倒千斤顶连接，有效增大了同一组支架的整体稳定性。移架时同一组支架一侧支护单元卸载降柱，通过前架推拉油缸拉动或者后架推拉油缸向前推动，在移架过程中同一组支架由其中一架支护单元体降架另一个支护单元体保持承载状态，通过迈步式交替循环向前移架，有效减小了降架过程中的空顶面积，同时减小了支架对巷道顶板锚杆及锚索的破坏，增大了支架组对巷道顶板的适应性。分体式超前支架组在国内很多矿区得到了广泛的应用，取得了良好的应用效果[7]。

综合考虑莒山矿9201 回风巷道顶板属于中等稳定型顶板，若使用整体式超前液压支架组会对巷道顶板及锚杆支护系统造成破坏，特别是对于工作面附近的端头区域，由于受力复杂，巷道围岩破坏变形严重，会对工作面安全高效生产带来一定的安全隐患，根据巷道实际情况，为减小对巷道顶板锚杆支护系统的破坏，使用分体式超前支架组有助于巷道围岩的稳定，综合考虑，确定莒山矿巷道超前支架组的型式为分体式。

3 超前支护参数

工作面顺槽为矩形断面，根据自然平衡拱理论，作用在深埋岩体巷道顶部的围岩压力为自然平衡拱内岩体的自重[8]。

式中：b1为拱的矢高，即自然平衡拱的最大高度；a1为自然平衡拱的最大跨度，可按式（2）计算：

式中：a 为巷道宽度的一半，取2 m；h 为巷高，取3.2 m；φ 为煤层内摩擦角，取28°。

巷道最大围岩压力可按式（3）计算：

式中：f 为扰动影响后围岩硬度系数；Rc为扰动影响下顶板岩体单轴抗压强度，取19 MPa。

采动影响下巷道围岩压力：

式中：K1为本工作面采动影响系数，根据以往实测结果，取1.7；K2为上工作面残余采动影响系数，根据前期监测数据，取1.5；γ 为上覆岩层容重，取25 kN/m2。

将各参数代入式（5），支护范围内超前支架支护强度下限为P=131.86 kPa；即在支护范围内支架超前支护强度不小于131.86 kPa。

4 超前支架确定

根据上述研究，莒山矿9 号煤层工作面超前支架建议选用3×ZQL2×4000/21/40WD 型迈步分体式超前支架组，实现沿空巷道的超前机械化支护，其力学模型如图1 所示。3×ZQL2×4000/21/40WD 分体式超前支架组主要参数如下：

图1 巷道超前支护力学模型

支架型号为2×ZQL2×4000/21/40WD；支撑高度为2.0～4.1 m；支护强度为0.20 MPa；支护范围为超前约20 m；支架个数为3×2。

5 应用效果分析

3×ZQL2×6000/21/40WD 型迈步分体式超前支架组用于9201 回风顺槽，实际支护期间支护范围内巷道顶板最大下沉量为187 mm，煤柱帮最大变形量为136 mm，煤壁帮最大变形量为75 mm，巷道围岩得到了较好的维护，超前支架组支护压力保持在安全阀开启之内，超前支护强度设计合理，可以满足安全支护要求。

6 结语

工作面超前支架组是综采面安全支护的重要装备，针对实际应用条件设计超前支架组为出窄型顶梁支架组，根据巷道锚杆支护情况合理布置，最大限度避免了超前支架对巷道锚杆的破坏，增大了支架对巷道围岩的适应性，具有良好的应用效果，后期应根据巷道实际情况进一步优化超前支架组的结构，实现工作面安全高效超前支护。