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优化矿井原有炮掘工作面超前支护设备及支护工艺的策略

2021-07-29 99 上传者：管理员

摘要：针对炮掘工作面常规超前支护笨重、存在支护盲区等问题，对矿井原有炮掘工作面超前支护设备及支护工艺进行了优化，将原来的单片前探梁改造成两片，增加了支护面积；设计了滑道并将前探梁由升降调整为滑移，将间断性支护工艺改成了连续性支护工艺，降低了劳动强度，增强了支护作业的安全性，提高了单进水平。

关键词：
前探梁
单进水平
支护作业安全
炮掘工作面
超前支护
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根据研究，掘进工作面冒顶事故占煤矿冒顶事故的25%以上，而空顶作业是掘进工作面冒顶事故的主要原因。大部分掘进工作面冒顶事故主要发生在掘进作业刚结束，工作面迎头存在的活石或者伞檐受采动应力影响，个别岩块、煤块沿着支护空白区掉落至人员作业区，造成人员伤害。因此增强掘进工作面支护质量，尽可能减少空顶、空帮作业是减少掘进工作面冒顶事故的重要防控措施。

目前国内掘进工作面超前支护装置主要有简易木支柱支护、前探梁式支护、点柱式支护、单体柱加大板棚式支护和单体液压支柱配合金属铰接梁支护。简易木支柱支护、点柱式支护和单体液压支柱配合金属铰接梁支护存在支护面积小、劳动强度大的缺点；前探梁式支护方式需要有配套的液压系统；单体柱加大板棚式支护却操作困难、庞大笨重、劳动强度较大，均不适合运用于炮掘工作面。炮掘工作面受限于掘进工作面作业空间和作业循环管理，必然造成工作面迎头支护困难，因此研究一套适合炮掘工作面的支护装置和支护工艺，为工作面作业人员提供一个安全的作业环境就显得尤为必要。

1、工程背景

(1）矿井概况

国家能源集团新疆能源有限责任公司屯宝煤矿位于昌吉市硫磺沟镇。井田含煤地层为中侏罗统西山窑组，可采煤层7层，由上至下依次为4#、5#、7#、9#、10#、14#、15#煤层，其中4#与5#、9#与10#煤层分别进行组合开采，煤层倾角15°～18°，属于缓倾斜煤层。矿井范围内断层较为发育，但多为断距小于3m的小断层，断层附近围岩裂隙较为发育，受采掘扰动影响，局部区域顶板易出现变形。

各煤层顶板岩性主要以灰色粉砂岩、细砂岩及炭质泥岩为主。直接顶主要为炭质泥岩，岩石抗压强度平均13MPa，平均软化系数0.15，节理裂隙发育，结构复杂。基本顶岩性为灰白色粉砂岩，致密，中硬，泥钙质胶结，饱和状态下单向抗压强度8.52～56.3MPa，平均17.86MPa，平均软化系数0.28。直接底为灰白色粉砂岩，质软。老底为粉砂岩、细砂岩，灰色，层理、节理发育，泥质胶结，致密，中硬，易被地下水溶解，岩石强度低，饱和状态下单向抗压强度3.28～44.5MPa，平均17.86MPa。

(2）工作面概况

WⅡ02040503下顺槽机头段及+640m水平区段输送带石门炮掘工作面是+640m水平石门开拓工程，采用炮掘掘进工艺，扒渣机出渣，刮板输送机+输送带组合方式运输。工作面在保护煤柱下方掘进，上下前后均为未开采的实体煤岩体；掘进工程中相继穿越4#、5#、7#煤层，穿越的煤层层理、节理发育，松散、破碎，易片帮、冒顶，具体情况如表1所示。

掘进工作面设计断面为三心拱，断面尺寸为掘宽4500mm、净宽4300mm、掘高3700mm、净高3500mm，掘进断面15.7m2、净断面积14.1m2。巷道采用锚网喷支护工艺，锚杆采用准20mm×2200mm等强锚杆，每根锚杆装3根锚固剂。锚杆间排距为800mm×1000mm。锚索每排布置2根，采用准18.9mm×6000mm钢绞线，间排距为1600mm×3000mm，每根锚索装6根锚固剂，锚固剂型号CK2335。钢带为钢筋焊接而成，规格为顶准12mm×5000mm、帮准12mm×3400mm，顶冷拔丝网规格5000mm×1200mm，帮部冷拔丝网规格3400mm×1200mm。

2、炮掘工作面原有超前支护

（1）超前支护方式

超前支护采用常规炮掘工作面适用的钢管焊接的支护架配合支护锚杆。前探梁由2根长4000mm、准89mm的无缝钢管、背板和4个前探梁固定卡子构成，前探梁固定卡子由准95mm金属环、长300mm的40t刮板链条、螺帽焊接而成。安装时，先将卡子拧在锚杆外露端，卡子间距2400mm，排距2000mm。在永久支护上设置金属前探梁固定卡子，前窜不大于梁长的1/3，使之与永久支护连成一体。由外向里推移至支护处，用背板将前探梁固定紧，背板不得斜放。前探梁伸出的护板可以完全护住空顶区域，背板采用护板5块（每层5块），直至接顶，拧实拧紧，达到护顶要求。护板规格（长×宽×厚）为3500mm×200mm×50mm，共15块。前探梁设计如图1所示。

爆破循环结束后，人工将焊接的超前支护架与顶板支护锚杆联接，支护架上部爆破作业后，操作人员站在永久支护下进行敲帮问顶，确认无问题时，前移前探梁与木板梁，用木背板接实顶板，在前探支护下进行顶锚支护，由外向里逐排支护。

(2）超前支护方式的缺点

每次爆破前均需将前探梁支护拆除，爆破循环结束后重新安装，安装、拆除工作劳动强度较大，作业时间长，严重影响单进水平，且上、下背板均属于高空作业，安全风险较大；

爆破过程中前探梁支护已拆除，当处理哑炮等异常作业时，工作面顶板缺乏有效支护，易出现冒顶、片帮伤人事故；

背板搭接在前探梁钢管上，未进行有效的绑扎固定，极易发生背板倾翻伤人事故；同时，前探梁钢管采用卡子吊挂在永久支护锚杆上，卡子刚度有限，前探梁易受外力作用摇摆、晃动，造成安全事故。

3、超前支护改造设计

(1）超前支护改造设计原则

通过查阅资料，炮掘工作面前探梁支护的改造应遵循以下原则：

结构简单，加工制作容易，使用方便，适用性强；

性能可靠，能有效控制住端头顶板冒落；

操作流程简单，对炮掘工作面正常作业工序不造成干扰。

(2）超前支护的改造设计

通过对原使用的前探梁优缺点进行分析，结合综掘工作面液压前探梁特征，对矿井现有的炮掘工作面超前支护进行了改造设计，具体内容：

前探梁使用直径准25mm、壁厚3mm钢管焊接制作，前探梁分2片，每片长度1600mm，宽度1300mm；制作滑道2个，滑道宽度150mm；其余纵梁间距163mm，前探梁上部铺设密纹铁丝网，具体设计如图2所示。

制作锚索托盘8个，锚索托盘上加工直径Φ60mm的观测孔，如图3所示。

加工前探梁固定锚杆8根，使用准20mm锚杆及等强螺帽制作，2个螺帽使用10#扁钢焊接在一起，螺帽间距70mm，另一端焊接1根长250mm的锚杆，如图4所示。

焊接加工防坠链4个，长度500mm，距前探梁边部纵梁165mm。

(3）超前支护的工艺优化

放炮完毕后由带班队长及班长进行敲帮问顶工作以及清除前探梁上积存的碎石，同时卸下前探梁前部防坠链，松动滑道上的固定锚杆，然后前移前探梁至工作面迎头。安装时使用叉子将前探梁顶起，将滑道固定在距迎头倒数第2排及第3排永久支护锚杆外露端，滑道紧固螺母必须拧满扣。滑道固定后，分别将每片前探梁前部的2个防坠链固定在支护钢带上，增强前探梁支护强度。

(4）优化后超前支护的优点

前探梁由2片构成，且加工时按照巷道断面样式加工成一定的弧度，能实现对顶板的全面支护，减少支护盲区存在；

爆破前后前探梁不再取下，爆破循环结束后前移前探梁继续下一个支护流程，可实现对整个炮掘工艺全流程进行顶板支护；

前探梁上部预留2个滑道，通过滑道支护锚索托盘加固前探梁，移支较为方便，减少了频繁拆卸前探梁产生的工作延误和劳动量。

4、结语

为解决屯宝煤矿炮掘工作面前探梁支护存在的笨重、拆卸困难等缺点，对现有炮掘工作面前探梁进行了优化改造。现场实践证明，改造后的前探梁支护操作简便，减少了作业循环，安全性能较原支护系统明显改善，工作面单进水平提升了30%左右。

参考文献:

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[2]王月宏,程志红,李武壮,等.炮掘工作面单柱式超前支护装置设计[J].煤矿机械,2014,35(12):22-24.

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