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40°倾斜煤层梯形巷道120m超前支护装备及配套模式

2025-04-09 53 上传者：管理员

摘要：针对陈蛮庄煤矿3602工作面赋存条件和倾斜煤层梯形巷道布置特点，研究了倾斜煤层梯形巷道超前支护变形机理。针对梯形巷道变形特点和变形规律提出两帮非对称加强支护方案，研发了适应40°梯形巷道顶板支护的超前支护装备，形成了40°倾斜煤层梯形巷道超前支护配套模式，满足对具有中等及以上冲击危险区域的采煤工作面安全出口与巷道连接处超前支护范围不得小于120 m的要求。

关键词：
大倾角煤层
梯形巷道
煤炭资源
超前支护
配套模式
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1、工程背景及工作面地质条件概况

倾斜煤层一般是指煤层倾角大于25°的煤层｡倾斜煤层在我国分布广泛,特别是在我国西部部分矿区,其储量占比达到煤炭资源总量的60%以上,具有巨大的开采价值｡近年来,随着中东部地区赋存条件较好的煤炭资源枯竭殆尽,为了保持矿区的可持续发展,就必须开采倾斜煤层｡由此可见,对倾斜煤层进行安全高效开发已经成为目前亟需解决的技术问题[1-2]｡

陈蛮庄煤矿3602工作面开采深度大于900m,工作面平均倾角32°,局部达到40°,属于倾斜煤层｡煤层平均厚度3.3m;直接顶为泥岩,平均厚度1.3m;直接底为泥岩,平均厚度1.5m｡该工作面轨道巷和运输巷均采用梯形巷道布置,其中巷道宽度4.6m､巷高帮5.1m､巷矮帮2.5m,如图1所示｡陈蛮庄煤矿原有被动支护方案采用的是单体立柱支护方式｡单体支柱迎山安设,设计迎山角度8°,现场实测均超过10°｡

该支护方式存在的问题:①立柱稳定性差,易倾倒;②立柱支护强度低,巷道易变形;③立柱强度低,自身易弯折;④工人劳动强度大｡

2、梯形巷道被动支护设计思路

研究揭示工作面超前段顶板动载效应随距工作面距离增加而先增后减的特性｡据此,超前支护策略须与顶板动载变化相适应,即在动载显著区采用高强度支护,在动载较小区采用低强度支护,以实现支护强度与顶板动载的优化匹配｡具体方案:20~50m区间推荐强力迈步自移支架;50~120m区间顶板动载较小,采用强力单元支架与Π形梁组合支护｡该策略在保障巷道稳定性的同时,避免了过度支护引发的负面效应｡综合考量倾斜煤层梯形巷道围岩的非对称应力分布特征､渐进性非对称变形破坏特性[3]以及主应力偏转对围岩变形破坏的驱动效应[4],结合自稳平衡圈的支护原理[5],本文提出了改善非对称应力集中以控制围岩稳定性的支护原则｡具体而言,研发适应倾斜巷道顶板且具有一定迎山角的超前支架,并将其向低帮倾斜布置,同时在帮角弱化区加强支护,以实现围岩稳定性的有效控制｡超前支架向低帮倾斜布置如图2所示｡

图1原有巷道超前支护布置

图2超前支架向低帮倾斜布置

3、适应40°倾斜巷道顶板超前支架关键结构优化设计

(1)普通单元支架顶梁结构存在的问题

普通单元支架在倾斜巷道中受力如图3所示,普通单元支架顶梁结构如图4所示｡普通单元支架在进行巷道支护时,由于支架顶梁和其他部件之间只通过销轴联接,导致顶梁最大偏转角度只有10°,在面对40°倾斜巷道顶板时,顶梁无法适应巷道顶板倾角,此时巷道顶板压力主要由顶梁固定销轴承载,这会导致销接件承受偏转载荷而加速损坏,为巷道安全支护留下一定的隐患｡

图3普通单元支架在倾斜巷道中受力示意图

图4普通单元支架顶梁结构示意图

(2)倾斜煤层梯形巷道单元式支架结构设计

采用了一种新型单元支架改变原有销轴联接方式,即球铰结构,如图5所示,这种结构可以在一定程度上增大顶梁的让位空间[6]｡

图5新型单元支架立柱联接方式

新型球铰结构主要由立柱球头､限位卡盘组成,使立柱千斤顶可在柱窝内实现球铰旋转,即单元支架顶梁可沿巷道走向､倾向方向旋转｡

①立柱球头联接结构球头通过螺纹结构与立柱活塞相联,组装时需先将活塞降下穿过限位卡盘,随后将球头与立柱活塞固定｡限位卡盘包含刚性卡盘､复位橡胶和固定销轴,复位橡胶的作用是维持顶梁在未接顶状态下的水平姿态｡

②立柱球头强度优化可旋转自复位立柱适用于特殊场合,其活柱球头设计为可拆装式结构,以适应柱帽联接,并承受较大的侧向弯曲力｡立柱球头半径的确定对立柱性能和联接可靠性至关重要｡本文在满足螺纹强度和联接要求的前提下,确定了球头半径的最小值｡结构设计符合GB25974.2—2010《煤矿用液压支架第2部分:立柱和千斤顶技术条件》的要求,在1.5倍拔柱力时安全系数不小于1.5｡

③立柱优化设计考虑到活柱球头半径的增大导致侧向弯曲力增大,对立柱进行了优化设计,包括加大缸底半径和优化缸底结构｡优化后的立柱按照GB25974.2—2010进行强度计算分析,确保在2倍中心加载时安全系数不小于1.1,偏心加载时安全系数不小于2,整体稳定性安全系数不小于4｡

④底座设计优化结合倾斜煤层梯形巷道围岩的非对称应力分布特征,本文提出了改善非对称应力集中和主应力偏转轨迹的支护原则｡在底座底板设置7°~8°的倾斜垫板如图6所示,使支架整体具有迎山角,同时采用2个侧撑千斤顶和侧撑板组成的防倒机构,以维持支架稳定[7]｡

图6底座结构

⑤顶梁设计优化单元式超前支架顶梁上设计三角箱形结构,三角箱形结构上设计防滑小圆柱,如图7所示｡设计3处可安装花边钢梁的U形槽｡为了提高支架接顶时顶梁与顶板的摩擦力､防止支架倾倒,顶梁上设置了防滑钉来增大摩擦力｡

图7顶梁结构

(3)技术参数与结构特点

通过上述结构优化,研发了适应40°倾斜煤层梯形巷道的超前单元支架,如图8所示｡

图8整体结构示意图

矮帮侧两柱单元式超前液压支架结构特点:①该单元式超前液压支架主要由顶梁､底座及2根立柱构成,其底座与立柱通过卡箍和螺栓固定联接,而顶梁与立柱之间采用球铰式结构联接,以确保结构的稳定性和灵活性;②该支架设计允许沿工作面走向适应±15°的巷道坡度变化,增强了其在不规则巷道中的适用性;③顶梁设计具备±20°的摆动能力,能够在接顶后主动适应巷道顶板的不平整条件,并在降架后自动复位,维持支架的稳定性;④在底座一侧设计有撑底板机构,用以防止支架倾倒,增强安全性;⑤底座底板下方焊接有梯形钢板,以增加底座与地面的接触面积,提高支架的稳定性;⑥顶梁上设计有三角箱形结构,并在其上设计防滑小圆柱,以增强顶梁与顶板的摩擦力,防止滑移;⑦顶梁上设有3处U形槽,用以安装花边钢梁,增强支护效果;⑧底座前后设计为大船形结构,便于在巷道内挪移支架,提高作业效率;⑨采用单轨吊将单元式超前液压支架运输至支护位置,并在工作面推进过程中循环实现超前支护,以确保作业的连续性和效率｡

4、倾斜煤层梯形巷道多架型联合支护体系

在工作面超前120m范围内,分别采用单元式超前支架､两列式支架､横式端头支架､四柱支撑掩护式支架等9种架型联合支护,并针对陈蛮庄煤矿特殊地质条件采取特殊设计｡支架架号架型如表1所示｡

表1支架架号架型

(1)两巷超前20m范围内超前支护针对巷道超前20m区域的严重变形,采用ZCZ3200/17/32D矮帮和ZCZ3200/22/42D高帮侧迈步式超前液压支架｡为适应倾斜煤层,实施以下结构优化:①球形铰接式联接立柱与顶梁;②加强四连杆稳定机构;③增大调架千斤顶缸径;④顶梁设计为15°倾斜箱形结构;⑤前拉后推式推移千斤顶缸径增至φ200mm｡

(2)两巷超前20~120m超前支护针对陈蛮庄煤矿大倾角三软煤层,特别设计单元式超前液压支架,措施包括:①降低工作阻力,减轻支架重量和尺寸;②顶梁与立柱球形铰接,顶梁可旋转20°,并配备15°三角形箱体结构;③设计6个防滑小柱;④底座一侧设护底板;⑤底座周边船形结构设计;⑥底座与巷帮间连接圆环链条;⑦设计高型和矮型2种架型,交替安装;⑧运输巷矮帮侧安装30架矮型超前支架｡

(3)轨道巷机尾端头支护使用ZYT6400/21/43D型四柱支撑掩护式机尾端头支架[8],措施包括:①特殊轻型四柱端头液压支架,顶梁可旋转20°;②大船形结构底座与加大型移架千斤顶;③掩护梁与后连杆加宽封闭设计｡

(4)运输巷机头端头支护机头端头支架与超前支架连接移动,长条型结构设计,转载机布置于底座间｡掩护梁与后连杆特殊设计,加宽并设挡矸板,底座后部加高以限制支架下滑｡

(5)运输巷起桥段支护采用ZYT3000/20/32D型横式端头超前液压支架,三柱横式设计,顶梁接顶面积大,可反复支撑顶板｡

(6)运输巷转载机支护采用ZQ3200/16/32D型矮帮侧前拉后推式两柱单元式超前液压支架｡

(7)多架型联合支护配套方案综合布置,形成9种支架联合超前支护方案,包括迈步自移式､单元式､四柱式顶梁可旋转式及两列式特殊设计支架,优化超前支护配置｡

5、结语

(1)开发了一系列适应40°梯形巷道顶板支护的装备,包括自适应式顶板强力单元支架､非对称结构机尾端头支架和迈步自移式超前支架｡这些装备能够根据地质条件和巷道形状进行自适应调整,以确保顶板的安全性和可靠性｡

(2)提出了一种基于9种架型的倾斜煤层梯形巷道多架型联合支护体系,构建了40°倾斜煤层梯形巷道超前支护的配套模式｡该体系通过架型组合,实现了对倾斜煤层梯形巷道的全面支护｡

参考文献:

[1]屠洪盛,刘送永,黄昌文,等.急倾斜煤层走向长壁工作面底板破坏机理及稳定控制[J].采矿与安全工程学报,2022,39(2):248-254.

[2]伍永平,贠东风,解盘石,等.大倾角煤层长壁综采:进展､实践､科学问题[J].煤炭学报,2020,45(1):24-34.

[3]熊咸玉,戴俊.缓倾斜煤层直角梯形巷道支护技术[J].煤炭学报,2020,45(S1):110-118.

[4]刘洪涛,陈子晗,郭晓菲,等.采场等效孔模型及主应力旋转规律[J].煤炭学报,2023,48(10):3646-3658.

[5]黄庆享,郑超.巷道支护的自稳平衡圈理论[J].岩土力学,2016,37(5):1231-1236.

[6]亓玉浩,韩会军,张代祥.放顶煤工作面巷道长距离超前支护系统研究[J].煤矿机械,2021,42(2):44-46.

[7]张兴辉.超高单元支架立柱稳定性分析方法探讨与应用[J].煤矿机械,2023,44(8):175-177.

[8]李雪伟,胡相捧.托梁强度分析及优化设计[J].煤矿机械,2015,36(8):41-43.

基金资助:国家重点研发计划项目(2023YFC2907501;2023YFC2907503;2023YFC2907505); 国家自然科学基金项目(52374106;52274154;52404159);中央高校基本科研业务费项目(2023YQTD02); 中煤科工开采研究院有限公司科技创新基金重点项目(KCYJY-2023-ZD-01);

文章来源:于翔,李良晖,闫汝瑜,等.40°倾斜煤层梯形巷道120m超前支护装备及配套模式[J].煤矿机械,2025,46(04):20-23.