近年来，综放开采技术取得了长足的进步，已成为我国特厚煤层的主要开采方法。煤矿井下的支护问题一直是困扰煤炭行业高产高效、安全生产的重要问题。随着综合掘进工作面生产能力和推进速度的提高，掘进区范围日益加大[1]。煤巷的顶板、底板和两帮均为煤体，强度较低，易于破碎，巷道支护比较困难，并且在采动的影响下，底板容易发生位移、变形乃至破坏，底板发生破坏的同时，顶板也发生了破坏，导致顶板变形下沉，甚至发生严重的冒顶事故。特别是目前煤矿的掘进巷道的断面越来越大，给巷道维护带来了巨大的困难，严重影响煤矿的安全高效生产，快速有效支护已成为矿井高产高效、安全生产的关键技术之一[2-4]。

资料表明，由于长期以来我国炮掘、综掘工作面没有合理配套的超前支护设备，冒顶事故占掘进事故的近一半。可见，提高掘进速度的同时保障掘进工作面人员及设备安全是亟需解决的问题。为了提高煤矿井下掘进速度，有效控制顶板事故的发生，需要使用超前支护技术。

本文针对目前煤矿矩形大断面煤巷采掘过程中的一系列问题，研究了大断面煤巷的综掘特点，分析了正确的矩形大断面煤巷围岩变形破坏机理，总结了矩形大断面煤巷围岩变形破坏规律，结合具体的围岩应力和地质条件确定合理的支护参数，研发了一套有效的自移动超前临时支护装置。

本研究不仅是对普通条件下维持大断面煤巷稳定性的解答，更是复杂条件下，对矩形大断面煤巷控制技术的启迪和完善。不仅可以实现掘进与支护平行作业以提高掘进速度和生产效率，而且可以实现安全生产，确保工作人员与设备的安全，对建设安全高产高效矿井和实现煤炭绿色开采具有重要的理论意义和实用价值[6-7]。

1、支架选型影响因素

影响支架选型的因素很多，主要集中在煤层厚度、煤层倾角、围岩稳定性和围岩应力分布等方面。

1) 煤层厚度。

煤层的结构比较脆弱，煤层如果比较厚，则煤巷顶板的煤层容易破碎崩落，应该增加一些掩护网，防止顶部的碎煤直接落入巷道，影响正常煤巷掘进作业。某矿的煤层属于特厚煤层，因此在设计支架的时候，必须考虑到顶板碎煤崩落问题[8]。

2) 煤层倾角。

煤层的开采和煤巷的掘进一般沿着煤层的自然发展方向进行，如果煤层的倾角过大，支架容易发生滑动或者翻倒。这种情况下，支架的设计必须考虑煤层倾角，并采取相应措施，防止支架的滑动和翻倒，保证支护的效果，防止安全事故的发生。某煤矿的倾角较小，在设计超前支护支架时可以忽略这个影响因素。

3) 围岩稳定性。

围岩稳定性决定支架的支护方式，对于结构不够稳定的围岩，必须采取掩护措施，防止破碎煤岩崩落。某矿的顶板和底板均包含泥岩、页岩等软弱岩层，围岩的稳定性不够，因此设计支架时要考虑围岩稳定性对支护形式的影响。

4) 围岩应力。

围岩应力大小决定支架的支护强度，围岩应力较大的煤巷，不但易发生围岩变形和破坏，同时会增加支护的难度和成本，使得安全生产风险增加，资源浪费和生产效率下降。所以必须选用对应的高强度的支护支架，以适应围岩应力的影响。特别是水平方向应力较大的煤巷，除了要考虑冒顶问题，还需要考虑两帮的变形与垮落，防止巷道的变形。总之，支架选型要能够适应工程实际的要求，满足巷道掘进过程中的实际需求，与井下其他系统和作业活动相互配合，从而保障井下掘进作业安全、稳定、高效率的进行[9]。

2、支护强度理论计算

所谓支护支架支护强度，就是支护支架在单位面积上对巷道顶板的支撑力[10-11]。在设计支护支架的时候，一方面要尽可能地增大支护强度，但是增加支护强度意味着更多的液压支柱，也就意味着更多的成本。因此，要通过理论计算，得到巷道的支护强度的需求，在此基础上给定的安全系数，从而实现安全和经济的双赢。

直接顶载荷估算的方法计算，是在控顶设计过程中，直接顶顶板必须以最危险状态来考虑。在顶板沉降过程中，支架对直接顶的工作状态应按“给定载荷”考虑，这是比较接近实际情况的，即支架对直接顶的支撑力可被看作近似恒定的，按中间安全情况系数取3,则支护强度为0.13 MPa.如果有8根承重柱，每根需要承担的压强为0.016 MPa[12]。可根据具体压力设计支架长度和底板面积，设计符合要求的支架[13-14]。计算公式如下：

式中：q为支护强度，MPa;Q为自移式超前支架的工作阻力，MN;F为自移式超前支架的支护面积，m2.

3、自移动超前支护液压支架组整体设计

近年来，计算机技术的发展日新月异，机械设计水平也快速提高，传统的二维机械设计软件逐渐暴露出了一定的局限性，比如作图的操作较为琐碎复杂，并且无法直观地反应各个零部件之间的空间位置关系。这些问题制约了设计人员工作效率的提高，不利于缩短产品研发的周期。目前，三维设计软件的应用越来越普及，它直观、具象的特点，也能更好地把设计人员的意图表现出来，有利于设计人员分析和发现设计成果的问题，从而更好地解决设计过程中的问题。

目前，比较广泛应用的三维设计软件主要有：美国PTC公司的Pro/EDRC公司的I-DEAS、Solid Works 公司的Solid Works、EDS公司的Solid Edg等。其中，Solid Works是在Windows环境下的第一个三维机械设计软件。它采用Windows用户界面，拥有强大的动态激活的属性管理器，以灵活的草图绘制为基础，辅助以特征建立能力以及装配控制功能，并提供了自由、开放、功能完整的API开发工具接口[15]。

这些功能使Solid Works 实现了三维 CAD 软件贯提的易用性、高效性和功能强大，完整地提供了产品设计的解决方案。采用这种技术的理由在于它能够彻底地克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而被牢牢地控制[16-17]。

目前，CAD/CAE/CAM技术结合一起不断深入发展，通过三维建模软件有限元分析软件、运动仿真软件相结合的方式，应用在煤矿机械尤其是液压支架的设计领域，为设计人员设计产品提供了很好的工具和广泛交流探讨的平台，提高了机械产品设计效率，增强了设计产品的质量，缩短了研发设计周期，为科学的设计研究奠定了理论基础。三维建模是这种技术的基础[18]。

此次设计主要利用Solid Works软件对自移动超前临时支护装置进行三维建模，将各个零部件的模型组装成完整支架。通过模型研究支护支架能否正常运行。

为了从根本上解决大断面矩形煤巷的顶板的临时支护问题，根据某矿的实际采掘特点和围岩特性，充分利用自移动超前临时液压支架的支护面积大、支护灵活的特点，设计了一套ZCZ9000/28/36型自移动的循环临时支护支架。自移动超前支护支架组主要由金属结构件、液压元件两大部分组成，金属结构件主要有：顶梁、斜梁、上下连杆、底座、推移座、伸缩梁等，液压元件主要有：立柱、各种千斤顶、液压控制元件，操纵阀、单向阀液压元件主要有：立柱、各种千斤顶、液压控制元件(操纵阀、单向阀安全阀等)、液压辅助元件胶管、弯头、三通等。

ZCZ9000/28/36型自移动超前支护支架组由超前支护支架和过渡支架两部分组成，如图1所示。其中，超前支护支架又可以拆分成主体支架和两节伸缩梁。支护支架布置图如图2所示。

图1 超前支护支架

图2 支护支架布置图(单位：mm)

ZCZ9000/28/36型自移动超前支护支架组采用稳定的四连杆结构连接顶梁和底座，同时采用6组液压杆支撑顶梁受力。这种连接方式，在保证了支护强度的同时，增加了整个支架组的稳定性。

整个支架由一套液压系统驱动，采用自反馈的方式，实现了整个支架的自移动。减少了掘进巷道的人员操作行为，从一定程度上保证了矿井作业人员的人身安全。

ZCZ9000/28/36型自移动超前支护支架组的另外一个特点是顶梁和顶板虽然接触，但是并不是完全受力。更多的是起一个掩护的作用，防止顶板崩落的破碎煤岩。这样从最大程度上，保证了顶板不会由于临时支撑受力而对顶板围岩的完整性造成破坏，为后续的进一步有效支护争取了宝贵时间，有利于顶板的维护和巷道掘进过程的安全。

4、自移动超前支护液压支架组结构特点

ZCZ9000/28/36型自移动超前支护支架组是在总结前人的研究成果的基础之上，结合了该矿井的围岩特点而设计出的一套支架组，该支架主要有以下几个结构特点：

1) 自移动临时超前支护用于巷道支护，起到临时支护作用，与此同时，辅助完成打锚杆作业和防护网的搭建工作，在正式支护之前，对巷道进行超前临时支护，减少工人的劳动强度，提高掘进作业的安全可靠性。

2) 自移动超前支护支架组整体呈矩形设计，适应于矩形断面支撑。整体支架由过渡支架和超前支护支架组成，超前支护支架又包括主体支架和两节伸缩梁，总体展开共包括4组支架。

3) 支架主体采用四连杆作为稳定机构，前后各4根立柱前后与顶梁及底座铰接，共8根立柱。

4) 自移动和自调节。支架组之间通过液压千斤顶连接，通过液压控制，可实现支架组的自移动和自调节，能在支护完成之后自动向前移动，同时支架高度也可调节，为工作人员提供足够的工作空间和方便。

5) 组装运输方便每组支架分为结构相同的左右两部分，过渡支架和超前支护支架的主体部分左右顶梁通过耳座与横梁相连接，横梁可拆卸；超前支护支架的两节伸缩梁左右部分之间由两节悬臂梁连接，通过平衡千斤顶可实现悬臂梁的上下开合；超前支护支架和过渡支架之间通过推移千斤顶连接，如图3所示。

图3 支架组结构分析图

5、应用前景

矩形大断面煤巷超前循环护架设计的研究对于提高煤矿作业的安全性、提高施工效率、降低成本、提高资源利用率、促进煤矿产业的发展和增强社会效益都具有重要的意义。

通过设计超前循环护架，可以更好地支撑煤巷的顶板和帮壁，防止崩塌和片帮等事故的发生，从而提高煤矿作业的安全性。同时超前循环护架的设计可以预先进行安装和拆卸，使得在煤巷掘进过程中，可以更快地进行支护和施工，从而提高施工效率。超前循环护架的设计可以缩短传统支架的安装和拆卸时间，从而降低人力和物力的成本。最后，超前循环护架设计采用了循环使用的理念，可以重复使用支架的部件，从而减少资源的浪费，提高资源利用率。通过矩形大断面煤巷超前循环护架设计的应用，可以减少煤矿事故的发生，提高煤矿作业的安全性和稳定性，从而增强社会的效益。

6、结 语

本文通过对特厚煤层开采区域的地应力、围岩稳定性、现有支护方案及存在的问题等情况进行调研，对特厚煤层大断面超前临时支护理论工艺及参数进行理论分析，运用数值模拟软件FLAC3D进行数值模拟，对自移式超前临时支护装置进行了设计和方案优化，主要得出以下结论：

1) 大断面矩形煤巷的应力分布与巷道截面的宽高比有关，且在矩形断面的四个角处形成应力集中。巷道支护的支架受力以静力为主，可以用较小的支护阻力适应较大的围岩应力，从而控制围岩的变形和塑性区的扩展。数值模拟结果显示，无论是随着掘进过程的进行、还是时间的推移，巷道围岩的位移和应力的变化趋势，都是沿着巷壁和顶底板向围岩深处减弱，最终位移为零，应力等于地应力。

2) 巷道围岩在不支护情况下，随时间变化演化特征的数值模拟可以看出，巷道开挖后很短的时间内，巷道围岩的位移和应力大小，都在可接受范围内，这段时间内不需要对顶板进行直接支撑，只需对顶板崩落的碎岩进行掩护。随着掘进过程的进行和时间的推移，为了释放不断增加的巷道围岩压力，巷道变形将逐渐增大，变形的速度也将增快。此时为了保障作业面的安全，需要进行打锚杆等永久性支护形式，对巷道进行永久支护。

3) 数值模拟得到巷道开挖后短时间内顶板最大应力为0.12×105Pa, 由此设计了一种自移动超前临时支护支架组，其最大支护强度为0.16×105Pa, 安全系数为1.33.自移动超前临时支护支架可以实现自调节和自移动，完成对掘进巷道的超前支护，减少工人的劳动强度，保障掘进工作的顺利安全进行。

参考文献:

[1]王丽,刘名阳,赵林.井巷工程格栅拱架支护定额基价的探讨[J].煤矿安全,2013,44 (2):207-210.

[2]王阳.窄煤柱巷道围岩变形破坏特征与支护参数优化[J].机械管理开发,2023,38(11):148-150.

[3]徐瑞御.动力失稳下煤矿巷道围岩松动变形特征与支护参数研究[J].能源与环保,2022,44(7):284-290.

[4]周俊文.窄煤柱巷道围岩变形破坏特征与支护参数优化[J].石化技术,2020,27(1):329-330.

[5]王亮亮.大断面绞车房施工与支护技术探讨[J].中国科技博览,2014(2)2:391-391.

[6]陈金宇,刘华枢,孙卓越,等.多煤层开采煤矸互层顶板动压巷道围岩稳定性研究与控制[J].煤炭技术,2023,42(6):62-66.

[7]杨存智.复合顶板煤巷围岩稳定性分析与支护技术[J].煤矿安全,2018,49(1):218-221.

[8]姚岚.我国煤矿事故统计分析[J].矿山测量,2015,(1):71-73.

[9]胡鹏鹏.机械化采煤中液压支架的选型及适应性分析[J].机械管理开发,2023,38(8):85-86,89.

[10]郭超,李丽,李新旺,等.超长软顶综采工作面液压支架选型研究[J].煤炭与化工,2023,46(5):71-74.

[11]张海荣,杨娟娟,雷薪雍.特厚煤层综放工作面液压支架选型研究[J].山东煤炭科技,2023,41(3):139-141.

[12]杨春祥.特大采高液压支架力学特性及底板比压特性分析[D].青岛:山东科技大学,2020.

[13]谢云跃,孟昭胜.深井冲击载荷下液压支架底板比压分布特性[J].煤炭学报,2020,45(3):982-989.

[14]葛思冶,郭成虎.基于ANSYS掘岩机行走机构底座结构优化[J].新型工业化,2019,9(7):59-63,68.

[15]高树强,付玉平.快速掘进煤巷支护关键参数优化与应用[J].江西煤炭科技,2023(4):83-86.

[16]丁魏,王帅锋,张鑫.煤巷掘进围岩控制支护技术研究[J].中国煤炭,2023,49(S2):171-176.

[17]陈攀,马鑫民,向俊杰,等.煤巷支护参数预测研究[J].工矿自动化,2023,49(10):133-141.

[18]操李洋,翟新童,路超凡,等.门式液压支架的设计与应用[J].煤矿机械,2023,44(12):139-141.

文章来源:史沁彬.矩形大断面煤巷超前循环护架设计研究[J].煤,2024,33(11):49-52.