综采工作面超前支护技术的现状与发展

在采煤工作面开采的影响下，超前巷道围岩受到各种支承压力的叠加，地压情况复杂。同时，该路段设备布置密集，是行人、通风、交通的咽喉，是维护管理的重点和难点。

鉴于综采工作面端头和超前巷道的重要性，《煤矿安全规程》第50条规定：“采煤工作面所有安全出口和巷道连接处超前压力影响范围内，必须加强支护，加强支护的巷道长度不得小于20m”。

进入新世纪以来，煤炭工业的技术水平不断发展，采煤技术装备和煤炭资源的变化也呈现出新的特点。一方面，西部矿区综采强度不断加大，7m煤层一次性全部开采。放顶煤最大采高5.3m为了满足采掘运输和大型设备安装的需要，巷道宽度为5000 ~ 6000mm，高度为4000 ~ 4500mm，并有进一步发展的趋势。另一方面，在我国许多矿区，大倾角、深部开采等难采煤层的开采比例越来越大，冲击地压等导致工作面超前置巷事故频发。为了适应掘进巷道变化带来的新挑战，超前支护技术有了很大发展，但超前支护技术和理论仍不能完全适应综采技术的发展。

分析了我国先进支护技术和装备的现状，提出了先进液压支架的研发方向，为煤炭资源的安全高效开采提供参考。

1高级网关和支持类型开发

在工作面开采过程中，采空区不断扩大，上覆岩层质量转移到其周围深部煤岩体中，从而在工作面前方形成超前支承压力，两侧形成侧向支承压力。工作面前方运输巷和工作面回风巷位于工作面超前支承压力和侧向支承压力的叠加影响区，巷道变形大，破坏严重。因此，必须采取措施加强支护和卸压，防止巷道过度变形，确保工作面安全开采。图1显示了工作面和巷道的压应力分布，工作面端头的T型交汇处是显著的高压区。

图1工作面和巷道应力分布图

综采工作面超前支护在锚索、锚杆、金属网、钢带、钢梯联合支护的基础上，采用单体支架、u型钢支架、工字钢支架、金属顶梁、木顶梁，其中单体液压支柱多采用金属铰接顶梁支护，根据巷道断面和顶板压力确定支护参数，确保出口畅通。但在特殊开采条件下，单体液压支柱配合铰接顶梁超前支护有很大的局限性，主要表现为支护效果差、支护速度慢、劳动强度大、成本高、安全性差。

在我国科研院所和煤炭生产一线人员的共同努力下，先进液压支架诞生了，先进支护技术的研究主要集中在国内。中国矿业大学侯等人针对大变形巷道的特殊要求，于20世纪末提出了可缩性巷道支护。经过不断的探索和演变，目前的主流型超前液压支架是在工作面四连杆支架的基础上发展起来的一种超前支架组。超前支护距离(到工作面的距离)大于20m。在工作面运输巷使用时，布置在装载机两侧，支护宽度较窄。用于工作面回风巷时，支架宽度可根据巷道宽度设计。2001年，七连塔煤矿

煤层开采后，采场围岩煤体应力重新分布，在工作面前方形成支承压力。常见的分布形式有塑性区、高压区和稳压区。煤壁附近的煤在单向应力作用下容易破坏而失去支撑能力，成为塑性区，使支撑压力转移到煤的深部。开采动态支承应力特别是超前支承应力的变化规律不仅与工作面埋深、基本顶厚度、直接顶厚度和硬度等因素有关，而且随着工作面的推进而动态变化。目前，确定采场和超前支承压力分布规律的方法有物理模拟、现场实测、数值模拟和理论计算等。以下是典型矿区超前压力分布的研究案例。

基于马场村煤矿的煤层条件，王镇等人利用UDEC离散元软件模拟了不同采高下超前支承压力的分布规律。结果表明，随着煤层厚度的增加，顶煤超前支承压力峰值变化不大，但峰值点向煤体内部移动，即支承压力极限平衡区宽度明显增大。

太原理工大学谢福兴等人利用GMC20传感器测量、FLAC3D软件模拟和理论计算，对三元王庄煤矿3045大采高工作面推进巷固体煤侧进行了综合研究，得出推进支承压力影响范围为40 ~ 50m，应力峰值在煤壁前方9.7m附近。

山东科技大学顾世潭等人通过制作相似物理模型模拟综放工作面，确定了超前支承压力的明显影响范围。他们还发现，工作面煤壁前方塑性区支承压力呈指数增长至压力峰值，弹性区支承压力与原岩应力呈负向下降。

晋城矿区长平煤矿4305工作面采用四巷布置开采，在距明挖80m和200m一定范围内观测了四巷的地表位移和深部位移。随着离切眼距离的接近，在超前支护范围内，变形规律呈现缓慢变形、快速变形和剧烈变形三个阶段。

随着煤炭开采的发展，深部开采的超前压力研究越来越受到重视。刘金海等人利用CRMS实时监测系统对新巨龙煤矿1301侧巷道帮煤垂直应力进行了测量，发现深部特厚煤层综放工作面巷道帮支承压力峰值位置与巷道帮煤的距离大于一般工作面，且巷道帮支承压力峰值位置出现在采空区后方。吴全林采用数值模拟和现场实测的方法，对赵各庄矿埋深-1100m以下工作面采动应力分布规律进行了对比研究和分析，得出了千米深井条件下采动应力变化与工作面推进步距之间的“有限协同效应”。

支撑参数的确定

1.超前距离测量方法

无论是单体支架还是超前液压支架，按《煤矿安全规程》支护距离一般不小于20m。对于压力大或开采条件特殊的煤层，研究方法主要有理论分析和矿压观测。巷道支护距离的确定主要依据超前压力和巷道变形。

陈以平对某矿8406综采工作面超前支承压力进行了观测分析，采用了在煤侧安装钻孔油压枕的方法。回风超前支承压力从原岩应力开始增大，随着工作面的逐渐推进，其增大速率也逐渐增大。当工作面推进到距煤壁6m左右时，达到峰值，然后逐渐降低到原岩应力。工作面超前支承压力的影响范围在工作面前方30m左右。50米以内

华亭煤矿是典型的冲击地压矿井。随着开采深度的增加，冲击地压频繁发生，因此在超采区采用了超前液压支架。20103工作面采用小煤柱长壁后退式低位放顶煤开采，工作面运输巷超前支护采用超前支护和型钢梁支护，支护长度不小于80m。距端头支架16m采用巷道支架支护，其余64m采用梁配合单体液压支柱架设和棚架支护。工作面回风巷支护长度为150m(超前支护27m，单体支柱123m)。

许昌矿1309孤岛工作面和4307沿空掘巷工作面采用"单体柱顶梁"超前支护。规定轨道顺槽支护距离不得小于100m，在压力剧烈的巷道特殊地段应加强支护。

兖矿集团5318综放工作面巷道断面为3.0m(高)4.2m(宽)，采用锚网钢带支护。通过对围岩巷道变形的观测，表明：随着超前支护距离的增加，巷道变形和变形速度起点增大；加大超前支护距离可以明显降低巷道顶板下沉速度、底鼓和底鼓速度，以及两帮的接近量和接近速度。超前支护方式、距离和支护强度的变化不会影响超前支护压力峰值的位置，只会影响巷道围岩的变形值。

河南神火集团梁北煤矿11151工作面是极软工作面的赋存条件。钟新春等利用FLAC5.0数值计算软件模拟分析了采高和煤体强度对工作面超前支承压力和围岩变形的影响规律。1151极软双突厚工作面超前支承压力实测影响范围为44.3m，塑性区宽度为8.7m，破碎区宽度为4.15m，应力峰值为16.785MPa

2.超前支护强度参数的确定

普氏无压拱理论是常用的支护力模型之一，超前支护的受力可以根据普氏无压拱理论进行分析。例如，华亭煤矿根据上述模型指导超前支护的强度选择，取得了良好的支护效果。

中国矿业大学尹建生等人确定了东庄煤矿超前支护参数的原则，将巷道外壁分为实体煤和采空区。原工作面前方应力峰值可达非应力集中区的2 ~ 3倍。但由于固体煤两帮的支护作用，工作面前方基本顶岩层自身结构稳定，按自身规律弯曲下沉。因此，应在承受直接顶岩层质量的基础上，适当增加支护阻力，改善围岩应力状态，使直接顶岩层保持一定的自承能力。支架被设计成在固定的变形状态下工作。上述临界点提前开始支护，在达到下临界点之前必须达到恒阻状态，其总收缩量应与基本顶从上临界点到工作面的累计下沉量相对应。当巷道外壁为采空区时。巷道围岩变形运动的力学原因是基本顶破断前主要是采动超前支承压力的作用，基本顶破断后主要受基本顶破断结构失稳运动的影响。因此，要保证超前支护在最困难、最危险的时期能够正常工作，就必须适应变形和固定载荷的双重极限工作状态。因此，支架的收缩量应以不变变形原理来确定，支架的工作阻力应以基本破顶结构的滑动失稳来确定。

在东滩煤矿143、14工作面运输巷超前支护参数的选择中，卞景强等人根据“支护准则”和“防滑准则”计算了支护强度，并取其最大值

与工作面支架相比，先进的液压支架还不够成熟，还处于探索和发展的过程中。各种类型的支架层出不穷。煤炭生产单位、配套厂家和设计研究机构进行了研究和创新，如天地科技采选设计事业部、兖矿集团太原分公司、郑州四维、三一集团等。发展了各种类型的原理，如履带式压头超前支护、可伸缩巷道支护、气垫液压自移式支护和现在的车载移动支护。但从近年来的推广应用效果来看，由综采工作面使用的液压支架演变而来的四连杆式超前液压支架仍是主要的(如图3)。

图3超前液压支架

先进支护技术的发展趋势

单体支柱以其灵活性、超前支护顶梁等结构类型，仍将长期存在，以适应矿井条件和采矿方法的多样性。传统的单体支护已不能满足同等强烈冲击的深部超前巷道和大型超前巷道的维护管理要求，因此超前液压支架成为发展的必然。两巷前部应力受地质条件、开采条件、工作面和巷道支护系统等因素的影响。因此必须将其置于综采工作面的大支护系统中进行综合考虑。

(1) 《煤矿安全规程》对不同开采条件下的超前支护距离和支护类型没有明确要求。随着复杂巷道的不断出现，《规程》中“不低于20m”的规定显示出其局限性。但具体支护类型和参数没有明确要求，需要根据矿井情况具体分析。由于先进液压支架应用时间短、普及率低，以及巷道类型和地质条件的多样性和研究厂家的过多，迫切需要形成公认的支护距离和支护参数的理论指导和设计规范。

(2)工作面每推进一步，巷道内的超前液压支架需要拉一次，每拉一次都要求支架下降和提升一次。在支护区域重复支护顶板形成序列将极大地破坏顶板的完整性，并通过碎片粉尘威胁在下面操作的工人。因此，需要研究和协调“支”与“扶”的关系，最大限度地消除超前支。

(3)超前支护在适应性、设计方法和使用过程中还存在许多问题，迫切需要研究由超前液压支架组成的支护系统。超前支护的应用环境多为巷道断面大、高，但由于超前巷道受设备、行人、运输通道的限制，多为“高”“窄”设计，稳定性差，框架结构和稳定性也是急需研究的课题。

结论

煤矿开采机械化、自动化程度的提高和煤矿开采条件的复杂化是我国煤矿开采发展的必然。针对超前支护的发展现状和趋势，研究超前支护技术，开发适应不同环境的超前支护设备，提高先进液压支架等先进支护设备的推广应用，以适应煤炭发展形势，确保煤炭安全高效生产。

来源：矿机之家

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