放顶煤工作面巷道长距离超前支护系统研究

放顶煤工作面巷道长距离超前支护系统研究

0巷道支护方式更加全面目前，我国煤矿开采断面回采道路的保护方法包括对锚杆保护和对锚网的联合保护。然而，受采收期附近道路的影响，断面收缩，底部鼓变形，甚至存在严重的安全事故，如大坝坍塌。因此，在回采过程中，应加强对采空区的影响。目前广泛使用的加强支护手段已在原有木垛、石料碹等低强度耗材基础上升级为可反复使用的机械化支护设备，如单体支柱、成组超前支架等。在高应力、强冲击性、综放开采等复杂地质条件下开采，由于其岩性差、地应力大，加上传统支护方式支护强度低、刚度小、支护结构不合理，致使巷道变形破坏影响安全生产的事故时有发生。新版《煤矿安全规程》中要求：综采放顶煤工作面安全出口与巷道连接处超前支护范围不得小于120m，且优先采用液压支架。对于达到120m的长距离超前支护而言，单体支柱支护工序繁琐，工人劳动强度大，而成组式超前支架多次的反复支撑作用会破坏巷道顶板及已有超前锚固系统稳定性，因此，具有足够的支护强度但较弱的巷道顶板反复破坏效应，并且能实现随工作面推进高效前移的长距离超前支护系统成为放顶煤等复杂条件煤层开采的研究重点。1巷道断面分布受开采扰动影响，围岩应力重新分布，产生超前支承压力，煤岩破坏的概率随支承压力的增加而增加，采用理论分析及现场实测方法得出其分布规律，按照变化趋势基本分为三部分，分布曲线如图1所示。随埋深、工作面长度及巷道断面尺寸的增加，支承压力影响范围增大，超前应力峰值距工作面距离增加。工作面巷道超前采动在40～60m后趋于平稳，按照120m超前支护范围，根据“低初撑、高工阻”及“非等强”支护原则降低超前支架对巷道顶板已有锚网索支护的破坏影响，考虑在采动影响剧烈的范围内采用高工作阻力超前支架，保证支承压力高压区巷道围岩稳定性，在稳压区配置单元式支架，支护巷道顶板，完成巷道120m距离超前支护。2单元式超前支架理想的超前支护方式是所配置的被动超前支护体不破坏原有的锚网索主动支护系统并与其配合共同控制巷道围岩稳定。在长距离超前支护情况下，单纯的单体支柱支护强度低，操控及移动工序繁琐，单元式支护同样无法满足支护强度要求，两列成组式超前液压支架反复支撑效应强烈，且设备成本高，因此，实现顺槽120m长距离超前支护，可在距离工作面120m范围内分段使用两列成组式超前支架及单元式超前支护，两列成组式超前支架支护范围0～60m，单元式支架支护范围60～120m。(1）两列成组式超前液压支架经过多年技术发展，以四连杆为稳定机构的两列成组式超前液压支架成为巷道超前支护的主要设备，支架呈两列置于巷道左右侧，侧面留有行人及行车通道，根据其结构形式，常可分为整体式支架及分体式支架，其区别在于移架时整体式支架左右支架同时前移，分体式支架左右支架迈步交替前移。该型式超前支架结构可靠、稳定性好，支护强度大，支护可靠性高，相对简单的结构为其实现自动化控制及远程操控提供了条件，在兖矿、神东及榆林等地区得到了较好推广。(2）单元式超前支架在单体支柱支护方式基础上发展的单元式超前支架在巷道无反复支撑方面表现出极大的优势，凭借其轻便结构近年多被用于沿空巷道支护。为降低支架重量，不设置稳定机构，根据所需支护强度布置2～4根立柱，根据巷道断面形状及设备配套可安排一列或分列两列。移架时，采用首变尾式循环移架，有效减少支架对巷道顶板已有锚固体系的破坏。为躲避巷道顶板已有锚网索支护体系，一般支架顶梁宽度限制在500mm内。单元式超前支架及移动方式如图2所示。(3）单元式支架运移机构单元式超前支架随着工作面推进需要循环前移，要求支架从支护队列中移动到移架线路处，从靠近工作面侧直接移动到远离工作面侧之后，重新回到支护队列，涉及到支架在巷道断面内的横向移动和沿着巷道走向的纵向移动，移动方式可有非自移式支架、横向自移式、全方位行走式。(1)非自移式单元支架非自移式支架一般有墩柱式和伸缩式。墩柱式单元支架为若干立柱合抱，支架支护能力强，稳定性好，结构简单，移动时依靠外部机构辅助。常用外部运移辅助机构有单体支撑、绞车拖拽、单轨吊运等。循环移架时，采用搬运机构以巷帮为支点将支架顶到移架线路，然后通过铰车拖拽或专用搬运车经过地面运输到位后，仍旧使用搬运机构将支架回复支护队列，完成移架，纵向移动过程中也可通过单轨吊运形式在空中移动，可有效规避底板不平等问题。伸缩式单元支架多为类门形式，在巷道断面内的左右立柱间设有接顶横梁，无需横向移动，收缩后通过专用搬运车在地面或吊运装置空中运输到位，伸展后支撑巷道顶板。(2)横向自移式单元支架横向自移式支架主要针对墩柱式支架，将千斤顶集成到支架结构中，使其具有短距离移动的能力，其纵向移动仍依靠外部辅助机构。受限于支架本身结构尺寸和千斤顶行程，一般横向移动距离在300～800mm，将支架从支护队列移动到移架路线，需要至少2次移架操作，提升支架横向移动性能的同时增加了支架的重量，加大了纵向移动难度。(3)全方位行走式单元支架为提升单元式支架的移动性能，在墩柱式单元支架的基础上设置可全方位移动的行走机构，如轮式及履带式机构等，实现超前支护单元在不同方向不限距离自移，无辅助运移设备，可简化巷道超前支护的设备配置，但目前除履带式支架用于房柱式开采外，长壁采煤工作面相关研究仍处于开发阶段，未见有效的实际应用。3巷道支护配套采用成组式超前支架与单元支架组合方式支护，其中工作面煤壁向前60m范围内采用成组式超前支架支护，之后单元支架支护60m，总支护距离不小于120m。回风巷道断面内设备布置较少，支架安置空间相对充裕。成组式超前支架采用5组分体式支架，左右架间距离2.5m，采用迈步自移方式前移。单元式支架循环移架时，横向借助搬运机构，纵向采取风动单轨吊搬运循环式前移，避免了迈步式前移支架对顶板的反复支撑破坏。根据工作面推进度，一般每2d拉移1次。(2）运输巷超前支护配套采用成组式超前支架与单元支架组合方式支护，其中工作面煤壁向前40m范围内采用成组式超前支架支护，之后单元支架支护80m，总支护距离不小于120m。运输巷道内有转载机、破碎机、带式输送机等设备，120m距离足够从工作面煤壁延续到带式输送机，因此支架安置相对复杂。从转载机机尾至破碎机处采用成组式支架支护、两架三组式，通过与转载机推移槽配套，实现迈步自移；从破碎机至转载机桥部安装2组单元支架，受限于安装空间，该部位单元支架前后采用推移千斤顶联接，移动方式采用直线推拉；从转载机承载段向外布置单元支架，在巷道顶部安装单轨吊车，单元支架纵向移动采用空中移动，横向移动借助支架搬运机构。120m长距离支护超前支架布置如图3所示。4巷道超前支护系统(1）煤矿工作面巷道受超前支承压力影响，须进行超前支护，尤其对复杂地质条件的巷道，超前支护距离达到120m。综合考虑支撑效果及安全性、支护成本等因素，组建巷道长距离超前支护系统；(2）不同参数下，巷道超前支承压力峰值分布规律近似，从工作面煤壁开始依次呈低压区、高压区、稳压区分布；(3）两架一组式超前支架支护强度大，但会造成巷道顶板破碎，单元式支架循环移架