石炭系千万吨级矿井综采顺槽超前支护支架设计及应用.pdf

石炭系千万吨级矿井综采顺槽超前支护 支架设计及应用 张宏明1 ， 曹 伟2 1． 同煤大唐塔山煤矿有限公司， 山西 大同 037001; 2． 沈阳天安矿山机械科技有限公司， 辽宁 沈阳 110161 摘要 为解决矿井石炭系特厚煤层综放开采期间工作面回风顺槽超前压力特大、 支护困难问 题， 设计了 ZQL2 6000/23/45 型、 ZQL2 8000/23/45 型巷道超前支护支架， 并在塔山煤矿 8210 工作面应用。井下试验表明， 该支架组较 “单体支柱 铰接顶梁” 传统支护方式， 支护强度大， 支 护效果好， 有利于综采工作面快速推进， 实现安全高效生产。 关键词 综采; 顺槽; 巷道支架; 超前支护; 单体支柱 中图分类号 TD353文献标志码 B 文章编号 1003 －496X 2012 09 －0098 －03 Design and Application of Advance Support Frame of Fully Mechanized Mining Crossheading in Carboniferous Ten Million Tons Coal Mine ZHANG Hong － ming1， CAO Wei2 1． Tongmei Datang Tashan Coal Mine Co． ，Ltd． ，Datong 037001，China; 2． Shenyang Tian＇an Mining Technology Co． ，Ltd． ， Shenyang 110161，China Abstract In order to solve the problems of large advance pressure and hard support in working face return air crossheading of Carbonif- erous extremly thick seam during mining period． ZQL2 6000/23/45 and ZQL2 8000/23/45 roadway advance support frames are de- signed and applied in 8210 working face of Tashan coal mine． Underground tests show that the support group has larger support strength and better support effect than traditional support way of “single prop articulated beam“，which is conducive to the rapid progress of mechanized mining face and to achieve safe and efficient production． Key words fully mechanized mining;crossheading;roadway support;advance support; single prop 塔山矿井井田面积170． 91 km2， 工业储量43 亿 t， 可采储量 30 亿 t。矿井采用平硐、 立井混合方式 开拓， 开采煤层为石炭系 3 ～5 合并层， 2011 年产量 达到 2 300 万 t。矿井采用单一长壁放顶煤采煤法。 顺槽巷道为矩形断面 ， “锚杆 锚索 W 钢带 金 属网” 联合支护。传统超前支护采用 2 排或 3 排 “单体液压支柱 铰接顶梁” ， 局部辅以木垛形式支 护， 因回风顺槽临近采空区， 开采期间巷道压力显现 剧烈， 支护困难， 效果不好。回柱安全性差， 工人劳 动强度大， 不利于工作面安全高效生产。2011 年 底， 矿井采用了综采工作面回风顺槽超前支护支架， 经井下试验应用， 顺槽巷道支护效果得到明显改善。 1巷道围岩及工程条件特征 开采煤层为石炭系 3 ～ 5 合并层。煤层厚度 12． 63 ～29． 21 m， 平均 18． 44 m。煤层含有 0 ～ 29 层夹石， 厚度0 ～5． 22 m， 平均0． 94 m。夹矸岩性为 灰褐色高岭岩、 灰黑色炭质泥岩， 泥岩、 局部夹深灰 色粉砂岩， 普氏硬度 f 4． 0 ～ 4． 5。煤层倾角 1 ～ 5， 属稳定特厚煤层。受煌斑岩侵入破坏影响， 煤层 上部变质或硅化， 结构疏松， 易碎。普氏硬度 f 2． 7 ～3． 7。 老顶为褐、 灰、 灰白色细砂岩、 中粒砂岩、 粗砂 岩、 含砾粗砂岩、 粉砂岩、 砂质泥岩交替赋存， 成分以 石英为主， 长石及暗色矿物次之， 胶结致密， 岩芯较 硬。直接顶黄白、 灰白色岩浆岩; 黑色、 灰黑色炭质 泥岩， 深灰色、 灰白色泥岩， 黑灰色、 黑色硅化煤交替 赋存， 分层厚度一般 0． 1 ～ 4 m， 普氏硬度 f 6． 0 ～ 6． 5。岩浆岩为半晶质结构， 炭质泥岩、 泥岩大多为 平坦状断口， 含植物茎叶化石， 细腻、 性脆、 易碎。中 上部有 1． 33 m 的 2煤层。直接底为高岭岩、 灰褐 色， 含少量石英碎屑， 较硬、 平坦状断口， 品位一般， 局部有 0． 15 m 的薄煤层， 不稳定， 普氏硬度 f 5． 0 ～6． 0。老底为灰白、 浅灰色细砂岩、 中粒砂岩、 粗砂 89 第 43 卷第 9 期设计开发 岩、 含砾粗砂岩、 砂砾岩， 成分以石英、 长石为主， 坚 硬。8210 工作面长度 2 800 m， 倾斜宽度 230 m 左 右。巷道沿煤层底板布置。巷道为矩形断面， 运输 巷 5． 5 m 4． 0 m， 回风巷5． 2 m 4． 0 m。巷道采用 “锚杆 锚索 W 钢带 金属网” 联合支护方式。 顶锚杆间排距 1 000 mm 1 000 mm， 长度 2 400 mm， 树脂锚固长度 1 200 mm。顶锚索排距 3 000 mm， 每 3 排 2 根， 长度 8 300 mm， 加长锚固 2 400 mm。帮锚杆每排 3 根， 排距 1 000 mm。工作面开 采期间矿压显现剧烈， 两巷超前压力大。超前工作 面 50 ～ 60 m， 尤其是回风顺槽巷道变形、 两帮位移 明显， 围岩变形严重， 且常有严重底鼓发生。 2支架主要技术参数 为确保回采期间巷道围岩稳定， 巷道超前支护 支架的支护强度与巷道原始支护残余支护强度之 和， 不能小于巷道围岩顶压。在老顶给定变形工作 状态下， 巷道新旧联合支护体应平衡顶煤和直接顶 岩层重量。支护体平衡的荷载为 pc p0 ≥p z K hmγm hdγd 式中pc 超前支护强度， MPa; po 原始支护残余支护强度， MPa; pz 顶板煤岩荷载， MPa; K 动压系数; hm 顶煤厚度， m; γm 煤密度， kg/m3; hd 直接顶板厚度， m; γd 直接顶岩石密度， kg/m3; 根据盘区 3 ～5 煤层、 顶板厚度及赋存情况， 荷 载计算取顶煤和直接顶岩层总厚度 20 ～40 m， 煤岩 平均密度 2 500 kg/m3， 动压系数取 2， 经计算 pz 1． 0 ～2． 0 MPa， 原始支护残余强度按0． 5 MPa 计， 超 前支架支护强度为 0． 5 ～1． 5 MPa。 根据 8210 工作面回风顺槽压力显现分布趋势， 设计 0． 93、 1． 20、 1． 57 MPa 3 种强度类型支架， 从工 作面开始， 由内到外， 按不等长度分 3 段布置。3 种 支架主要技术参数见表 1 ～ 表 3。 3支架主要结构及特点 巷道超前支护支架总体上采用 1 组两架的布置 方式， 每架作为一个结构单元， 由顶梁、 四连杆机构、 底座和前后立柱组成。前后两架之间通过推移机构 连接。自移行走时， 前后两架通过交替降架、 相互推 拉的方式自移行走， 如图 1。 表 1ZQL2 6000/23/45 型 前 10 架 项目参数 高度/m 2．3 ～4．5 中心距/m 2．46 ～3． 5 底座宽度/m 0．65 工作阻力/kN2 6 000 p 37．3 MPa 初撑力/kN2 5 066 p 31．5 MPa 支护强度/MPa0．93 平均 对底板比压/MPa2．12 平均 表 2ZQL2 8000/23/45 中 7 架 项目参数 高度/m 2．3 ～4．5 中心距/m 2．46 ～3． 5 底座宽度/m 0．65 工作阻力/kN2 8 000 p 39．3 MPa 初撑力/kN2 6 412 p 31．5 MPa 支护强度/MPa1．20 平均 对底板比压/MPa2．80 平均 表 3ZQL2 6000/23/45 型 后 8 架 项目参数 高度/m 2．3 ～4．5 中心距/m 2．46 ～3． 5 底座宽度/m 0．85 工作阻力/kN2 6 000 p 37．3 MPa 初撑力/kN2 5 066 p 31．5 MPa 支护强度/MPa1．57 平均 对底板比压/MPa3．68 平均 横向上， 超前支护支架的并列两架顶梁和底座 之间都有千斤顶连接。即能够在行走和移动过程中 控制支架的姿态和稳定， 也能在一定范围内调整支 架的中心距。纵向上， 顶梁之间通过铰接的伸缩梁 连接， 前后架底座之间通过移架千斤顶连接。此种 结构每架支架的长度较短， 对顶板起伏不平的巷道 适应性强， 尤其是移架过程中每架交替脱离顶板， 空 顶时间短、 范围小， 较好的维持了直接顶板的完整和 原有支护。 在塔山矿的应用中， 还创造性首次应用了分段 式的布置方式， 在共计 65 ～ 70 m 的超前支护范围 内， 布置了 3 段超前支护， 由巷道最外向工作面方向 支护强度逐步增加， 以匹配巷道压力显现规律。相 邻两段之间通过顶梁铰接的伸缩梁和翻转梁实现顶 板的连续支护。这种分段布置的方式， 在支护范围 较大的应用中， 可以实现几段支架同时移架行走， 大 99 设计开发 2012 －09 图 1巷道超前支护支架布置和结构示意图 大提高移架效率。 4应用效果 ZQL2 6000/23/45、 ZQL2 8000/23/45 型超 前支护液压支架在塔山矿 8210 综放工作面回风巷 进行了试验应用。由工作面机尾向外， 分别安设支 护强度达 1． 57 MPa 的 ZQL2 6000/23/45 型超前 支护支架 8 架、 支护强度为 1． 2 MPa 的 ZQL2 8000/23/45 型超前支护支架 7 架， 以及支护强度为 0． 93 MPa 的 ZQL2 6000/23/45 型超前支护支架 10 架。试验支架工作面目前已推进 1 500 m， 取得 了较好效果。 1 支护强度大， 支护效果好。以往工作面回采 期间， 采用大量单体液压支柱和局部木垛的方式支 护巷道， 由于支护能力差， 不仅单体损坏伤人， 无法 回收; 巷道变形量很大， 4 m 高的巷道， 压力显现剧 烈时高度不足 1． 8 m， 底鼓高达 1． 0 m， 严重影响和 威胁工作面正常生产。使用超前支护支架以后， 巷 道高度控制不低于 2． 5 m， 底鼓量较以往较大减轻。 工作面推进的前 800 m， 未见明显的底鼓发生和巷 道顶板压力显现。 2 劳动强度低， 采煤功效提高。传统超前支 护， 需要大量人力。压力大时， 还须增设单体， 甚至 架木垛等， 以保证支护质量和支护强度。工作面每 推进 1 刀， 支护工至少要回撤 8 根单体， 劳动强度 大。使用支架后， 采用在检修班集中拉架前移， 使得 生产班超前支护作业人数大大减少， 劳动强度大幅 降低。 3 安全作业环境全面改善。由于支护效果提 高， 巷道变形量减小， 维修量大幅减少， 而且超前支 架占用巷道空间小， 为其他巷道作业创造了更良好 和宽敞的环境。 5结语 ZQL2 6000/23/45、 ZQL2 8000/23/45 型顺 槽超前支护支架在塔山矿的应用， 填补了超前支护 在石炭系煤层千万吨级工作面成功应用的空白， 有 效地改善了巷道支护状态， 显著降低了综采工作面 顺槽超前维护劳动强度， 大大提高了巷道超前支护 作业的安全程度和工作效率， 改善了巷道各种作业 环境。超前支护支架的推广应用， 实现了综采工作 面顺槽超前支护的机械化， 有利于塔山煤矿安全高 效现代化矿井建设。 作者简介 张宏明 1970 － ， 男， 硕士学历， 高级工程 师， 现任同煤大唐塔山煤矿有限公司副总经理。 收稿日期 2012 －07 －05; 责任编辑 梁绍权 001 第 43 卷第 9 期设计开发