潘一山，高學鵬，王 偉，肖永惠

(1.遼寧大學 環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036；2. 東北大學 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

隨著我國煤炭開采深度增加和開采強度增大，煤礦沖擊地壓問題愈發(fā)嚴重。沖擊地壓礦井綜采工作面兩巷超前支護區(qū)域受回采影響，其應力通常能達到原巖應力的2～5倍[1]，圍巖變形破壞嚴重，支護體失效頻繁，更是沖擊地壓等事故頻發(fā)之地。據不完全統(tǒng)計，2016—2020年我國共發(fā)生9起沖擊地壓事故，均為巷道沖擊地壓事故，共造成68人死亡，其中5起發(fā)生于綜采工作面兩巷超前支護區(qū)域，造成41人死亡，占總死亡人數的60.3%。國內外學者圍繞回采巷道圍巖變形破壞及控制進行了大量研究。宋振騏等[2]提出的“傳遞巖梁理論”和錢鳴高等[3]提出的“砌體梁理論”表明，綜采工作面的回采不可避免地在前方煤巖體產生應力集中，對兩巷圍巖造成不同程度破壞。謝和平[4]指出深部開采具有強擾動、強時效特性，加速煤巖體材料力學性能劣化和巷道圍巖變形破壞。經多年實踐，我國逐漸形成以錨桿(索)支護為主體的巷道圍巖控制格局，應用較廣的巷道支護理論主要包括：新奧法支護理論、聯(lián)合支護理論、松動圈支護理論、圍巖強度強化理論、錨桿預應力支護理論以及沖擊地壓巷道三級支護理論等[5-6]。目前我國工作面兩巷超前支護區(qū)域多采用“單體液壓支柱+金屬梁”形式加強支護，但由于支護強度低、穩(wěn)定性差，易造成安全事故[7]。液壓支架具有較高的支護強度和較好的接頂、護幫性能，與前者相比具有更高的安全性。在巷道超前支護液壓支架研究方面，王國法等[8-9]對液壓支架設計與支護技術理論進行了大量研究，并提出支架-圍巖耦合支護原理與設計方法。徐亞軍等[10]提出了巷道超前支護液壓支架自適應支護理論。潘一山等[11]對巷道防沖液壓支架設計方法及其應用進行了研究。經過幾十年的探索與發(fā)展，我國在巷道超前支護液壓支架設計、制造與應用方面逐漸達到世界一流水平，并不斷向適應大采高、大噸位、抗沖擊方向發(fā)展。國內礦井投入使用的巷道超前支護液壓支架支護阻力主要在2 000～10 000 kN，部分西部現代化礦井大采高綜采工作面，其端頭附近投入使用的巷道液壓支架支護阻力超過20 000 kN[12-13]，但目前巷道超前支護液壓支架支護范圍集中于工作面出口20 m范圍內，超前20 m范圍外的采動影響區(qū)域仍采用單體液壓支柱進行加強支護，液壓支架支護范圍有待于進一步增大。目前，國家相關部門與國內部分先進大型煤企逐漸加快了巷道超前支護工藝改革步伐。2020年12月，國家礦山安全監(jiān)察局《關于進一步加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》[14]要求：“評價具有中等及以上沖擊地壓危險的采煤工作面……上下出口和巷道超前支護應當采用液壓支架”。2020年6月，中國中煤能源集團有限公司下發(fā)了《關于推廣應用超前支護液壓支架的通知》[15]并明確提出：“兩巷超前支護范圍內全面采用液壓支架，逐步淘汰單體液壓支柱支護，沖擊地壓礦井和開采深度超600 m的礦井應于2021年6月底前完成推廣應用工作，其他礦井應于2021年底前完成推廣應用工作”。我國綜采工作面兩巷支護開始進入液壓支架全面取代液壓單體支柱的關鍵改革階段。

基于此，在分析綜合機械化采煤方法礦壓特征基礎上，進行工作面及兩巷礦壓與支護對比研究，研究工作面與巷道礦壓存在的差異，討論提高巷道支護水平的意義。從支護匹配性角度，研究工作面支護及其兩巷超前支護差異，討論推廣應用巷道超前支護液壓支架，替換傳統(tǒng)單體液壓支護支護的必要性。開展兩巷超前液壓支護設計研究，總結適應我國巷道條件的液壓支架類型，并探討巷道超前支護液壓支架選型及支護參數設計方法。

1 沖擊地壓礦井綜采工作面開采礦壓特征

1.1 隨采深增加采場地應力水平增高

現階段我國工作面平均開采深度在700 m左右，中東部主要礦井采深均達800～1 000 m[16]，而新疆、內蒙古等西部礦區(qū)雖然開發(fā)較晚，但部分礦井由于首采煤層回采結束，逐漸向中深部煤層進行開拓。煤層開采深度增加直接導致采場垂直、水平地應力水平增大，沖擊地壓發(fā)生可能性增大。

1.2 隨開采空間增大采場應力影響范圍增大

隨著回采及支護技術提高，為了提高工作面單產效率和減少搬家次數，煤層一次性回采厚度增大。隨著采場空間增大，煤層回采將形成更大的采場覆巖結構，造成更大空間范圍內的煤巖體應力調整。蒙、陜等西部礦區(qū)部分礦井的開采經驗表明，回采鄰近首采工作面的第2～3個工作面時，采場動力顯現顯著增強，存在采空區(qū)聯(lián)動誘發(fā)礦震與沖擊地壓現象。

1.3 隨開采強度增加礦震增多

西部礦區(qū)開采條件較好，礦井建設時間較晚，礦井產能普遍較大，部分沖擊地壓礦井產能超過800萬t/a。隨著開采深度增加，開采強度對于沖擊地壓影響增強，礦震顯著增多。以內蒙古某礦為例，該礦103工作面由于回采速度較快，回采過程中出現多次大能量礦震事件?；夭伤俣茸兓瘜ぷ髅娴V震事件有直接影響，如圖1所示，工作面回采速度在2018年11月25日開始逐漸增大，回風巷超前區(qū)域頂板彈性能積聚，大能量微震事件增多；回采速度在11月28日降至2.4 m/d，在11月29日又恢復至5.6 m/d，這種不穩(wěn)定的回采導致能量不穩(wěn)定釋放，產生更大能量級的礦震，11月30日，103工作面回風巷超前工作面58 m位置發(fā)生1起能量為4.5×106J的礦震事件。

圖1 回采速度與微震能量變化關系Fig.1 Relationship between microseismic monitoring energy and mining speed

1.4 沖擊地壓及頂板事故主要發(fā)生于兩巷

據不完全統(tǒng)計，近5年工作面內未發(fā)生沖擊地壓，而區(qū)段平巷(兩巷)共發(fā)生5次沖擊地壓，總傷亡達53人。其中，3起沖擊地壓發(fā)生于單體液壓支柱支護巷道，2起沖擊地壓發(fā)生于單元式液壓支架支護巷道，巷道支護強度相對較低。沖擊地壓發(fā)生時，摧毀巷道原有支護體系，并可能伴有冒頂、煤與瓦斯突出等復合災害[17]。

從頂板事故統(tǒng)計角度，近5年來我國每年煤礦頂板事故傷亡人數約占煤礦事故總傷亡人數的1/3，其中約41.5%的頂板事故發(fā)生于工作面與兩巷，傷亡人數整體比例達51.08%。如圖2所示，2016—2018年兩巷發(fā)生頂板事故最多，2017年之后頂板事故發(fā)生于兩巷的比例逐漸減小，發(fā)生于工作面內部的比例增加。兩巷由于工作人員較為集中，人員傷亡每年平均為18.2人，占比52.91%，是回采影響區(qū)域內人員傷亡最集中位置。此外，工作面端頭附近受應力集中影響，頂板事故發(fā)生數量接近工作面內部，也是頂板事故集中區(qū)域。

圖2 工作面與兩巷頂板事故對比Fig.2 Comparison of roof accidents between working face and two entries

2 工作面及其兩巷礦壓對比分析

2.1 巷道應力集中程度更高

為比較工作面與兩巷應力集中程度，定義Kg為工作面中部應力集中系數，Kt為回風巷應力集中系數，Kh為運輸巷應力集中系數。采場不同位置應力集中程度普遍呈現出Kt>Kg>Kh的特征，回風巷由于鄰近采空區(qū)，應力集中程度最高。定義傾向應力集中偏度ζ=Kt/Kg，則ζ反映了沿空側巷道與工作面應力集中程度的差異。采用數值模擬獲得不同回采參數下的ζ變化如圖3所示。工作面采深、采高、斜長均對ζ具有顯著影響。隨著工作面采深增加，ζ呈非線性增大；隨著工作面采高增加，ζ呈非線性增大；隨著工作面斜長增加，ζ先增大后減小。

圖3 回采參數對工作面傾向應力集中偏度的影響Fig.3 Influence of mining parameters on inclined stress concentration skewness of working face

2.2 巷道受采動影響范圍更大，所需支護時間長

工作面與兩巷受采動影響對象與范圍存在較大差異。工作面內受采動影響的圍巖主要是采煤機前方實體煤壁與支架支撐的頂板，工作面圍巖所需支護的時間短、范圍小，支護難度較小。而兩巷服務于工作面回采的布置特征決定了巷道圍巖在回采過程中經歷整個超前支承壓力影響過程。內蒙古某礦402工作面回風巷內實測頂板超前支承壓力如圖4所示(年份為2019年，時刻均為00：00：00)，頂板超前支承壓力影響范圍83 m，支承壓力峰值距工作面21 m，應力集中系數5.6。測點處巷道圍巖從開始受到采動影響至工作面回采到該位置時，經歷約20 d，巷道在此期間存在不同程度頂板下沉、底鼓等礦壓顯現。因此，從采動影響時空范圍角度，巷道所需加強支護的時間長、范圍大，支護難度也更高。

圖4 回風巷頂板超前支承壓力實測結果Fig.4 Measured results of advancing abutment pressure in tail entry

2.3 巷道圍巖變形破壞更嚴重，控制難度高

回采過程中，工作面內部圍巖破壞以片幫、漏頂為主，而兩巷則面臨底鼓、頂板下沉以及兩幫鼓出等問題，尤其是沿空側巷道圍巖變形破壞更嚴重，對安全回采影響較大。除應力集中影響外，重復采動也是兩巷圍巖更容易變形破壞的重要原因。工作面煤壁前方為實體煤，回采前處于三向應力狀態(tài)，回采過程中煤體僅受1次采動影響，煤體損傷程度低，完整性較好，不容易發(fā)生破壞。而兩巷圍巖則在較長時間內受多次采動影響，包括：相鄰工作面回采產生的側向采動影響，巷道掘進產生的采動影響，本工作面回采產生的超前采動影響，圍巖由三向應力狀態(tài)轉變?yōu)槎驊顟B(tài)甚至為單向應力狀態(tài)，圍巖損傷程度高，承載能力降低，巷道變形破壞更嚴重。

因此，兩巷應力集中程度更高、采動影響范圍更大、圍巖變形破壞更嚴重，兩巷是采場強礦壓顯現和動力災害事故主要發(fā)生位置之一，作為重要的通風、行人通道，對支護的要求更高，支護難度也更大。

3 工作面支護與兩巷超前支護對比

3.1 巷道支護技術及裝備發(fā)展嚴重滯后于工作面

根據煤礦支護技術及裝備發(fā)展情況，我國工作面及兩巷支護工藝改革及發(fā)展分為4個階段[18]。

第1階段為20世紀70年代之前，工作面與兩巷超前支護以木支護為主，支護強度低、穩(wěn)定性差。第2階段為20世紀70—80年代，我國煤礦工作面逐漸取消木支護，單體液壓支柱逐漸普及，支護強度增加。與此同時，在引進西方國家工作面液壓支架基礎上，國產液壓支架研制與應用也逐漸開始發(fā)展。這一階段內，兩巷超前支護工藝改革落后于工作面，巷道逐漸取消木支護，金屬支架和單體液壓支柱應用增多，而同時期的蘇聯(lián)等國家已開始巷道超前支護液壓支架大量應用探索[19]。

第3階段為20世紀90年代至2005年，我國液壓支架進入快速發(fā)展階段，全國綜采工作面數量大幅度增加，液壓支架架型增多，支架性能、參數、穩(wěn)定性及可靠性顯著提高。該階段內，國內工作面兩巷超前支護主要為單體液壓支柱和金屬支架，與此同時，少數生產技術條件較好的礦井開始在工作面兩巷超前支護區(qū)域進行液壓支架應用試驗[20-21]，并取得較好的支護效果。

第4階段為2005年至今，2004年以來，我國煤礦裝備與開采技術逐漸達到國際先進水平，高性能液壓支架國產化研制已經成功，并開發(fā)了適用于不同頂板條件、煤層厚度及產狀的多種綜采液壓支架。與此同時，適用于不同地質條件、巷道形狀及支護方式的巷道超前支護液壓支架也逐漸研制成功，使用巷道液壓支架進行支護工藝改革的礦井逐漸增多。

各階段內我國巷道支護技術及裝備發(fā)展均嚴重滯后于工作面，造成了兩巷支護水平顯著低于工作面。目前我國工作面已普及應用液壓支架，而兩巷支護形式依舊以單體液壓支柱支護為主，考慮到工作面與兩巷的礦壓差異，工作面與兩巷支護水平面臨明顯不匹配問題。

3.2 單體液壓支柱加劇了兩巷與工作面支護不匹配

為比較工作面與兩巷支護差異，分析兩者支護匹配情況，以綜采工作面液壓支架、巷道超前支護液壓支架和巷道單體液壓支柱等典型支護形式為例，從支護強度、護頂效果以及支護穩(wěn)定性3個方面進行分析。

1)支護強度匹配分析。在支護強度方面，如圖5所示，綜采工作面圍巖支護強度顯著大于兩巷超前支護強度。綜采工作面液壓支架支護強度一般能達到1.0～1.8 MPa，目前國內頂板支護強度最大的液壓支架型號為ZY26000/40/88D，頂板支護強度達到1.71～1.83 MPa。由于巷道超前支護液壓支架需要同時考慮通風、行人及設備移動等多個問題，單個液壓支架所需支護的巷道頂板范圍通常大于工作面支架，這導致兩巷超前支護液壓支架對頂板的平均支護強度要小于工作面支架對頂板的支護強度，支架支護強度一般小于1 MPa。巷道單體液壓支柱支護阻力一般為150～300 kN[22]，間排距為1 m×1 m時的支護強度為0.15～0.3 MPa，支護強度明顯弱于巷道液壓支架，加劇了工作面與兩巷支護強度的不匹配。

圖5 不同支護結構的支護強度對比Fig.5 Support strength comparison of different supporting structures

2)護頂效果匹配分析。在護頂效果方面，當支護強度一定時，支護結構與頂板接觸面積增大，能提高頂板主動支護荷載分布均勻性，避免局部應力集中或支護力不足。如圖6所示，以內蒙古某礦井下工作面及兩巷支護材料參數為例進行對比。綜采工作面液壓支架頂梁尺寸為4 325 mm×1 750 mm，單架頂梁接頂面積占平均控頂區(qū)域面積的83.58%；巷道超前支護液壓支架頂梁尺寸為7 245 mm×1 200 mm，單架雙頂梁接頂面積占支護巷道頂板面積的48%；巷道單體液壓支柱配合柱帽或金屬梁使用，柱帽直徑為?300 mm，金屬梁長寬為2 800 mm×100 mm，與頂板接觸面積分別占支護巷道頂板面積的4.24%、5.6%。因此，從支護結構接頂面積這一角度，單體液壓支柱接頂效果最差，加劇了工作面與兩巷支護護頂效果的不匹配。

3)支護穩(wěn)定性匹配分析。在支護穩(wěn)定性方面，綜采工作面液壓支架穩(wěn)定性也要顯著高于巷道超前支護液壓支架與巷道單體液壓支柱。綜采工作面液壓支架重心低，接頂面積大，相鄰液壓支架連接緊密，支架在支護和移動過程中具有很高的穩(wěn)定性，不容易發(fā)生側翻、傾倒。巷道超前支護液壓支架重心低，有較大接頂面積，相鄰支架為前后連接，具有較高的穩(wěn)定性，但在一些底鼓、頂板不平整圍巖條件較差的巷道中，支架穩(wěn)定性有待優(yōu)化。巷道單體液壓支柱重心高，接頂面積小，整體結構強度低，穩(wěn)定性較差。國內礦井曾發(fā)生過多起單體液壓支柱傷人安全責任事故，柱體搬運、升降、補液及架金屬梁等環(huán)節(jié)均存在較大安全風險。采用安全繩等措施能有效防止單體液壓支柱傾倒傷人，但不能從根本上解決單體液壓支柱支護強度低、穩(wěn)定性差及需要多人協(xié)作安裝的缺點，且其由于支護能力不足易引發(fā)冒頂、沖擊地壓等事故。

因此，從支護強度、護頂效果以及支護穩(wěn)定性等方面，工作面支護均優(yōu)于兩巷支護，與巷道超前支護液壓支架相比，單體液壓支柱支護強度低、護頂效果與穩(wěn)定性差，加劇了工作面與兩巷支護的不匹配。

4 支護對巷道沖擊地壓影響分析

4.1 巷道圍巖力學模型

隨著工作面支護質量的提高，兩巷成為采場沖擊地壓發(fā)生的主要區(qū)域。不同礦井工程地質條件差異導致巷道應力環(huán)境及斷面形狀存在較大差異，為了抓住巷道沖擊地壓發(fā)生的本質，將巷道簡化為半徑為r=a的圓形硐室，巷道在無限遠處受靜水壓力P作用，巷內支護阻力為pS，建立如圖7所示的平面應變模型。

σc、εc—煤巖體峰值強度及對應應變；E—彈性模量；λ—峰后階段煤巖體塑性軟化模量；ρ—塑性軟化區(qū)半徑；εu—煤巖體塑性軟化區(qū)內最大應變圖7 巷道圍巖力學模型Fig.7 Mechanical model of entry surrounding rock

平衡方程為

(1)

幾何方程為

(2)

式中：σr和σθ分別為徑向應力和切向應力；u為徑向位移；εr和εθ分別為徑向應變和切向應變。

由煤礦井下圍巖變形規(guī)律，巷道圍巖分區(qū)可分為塑性軟化區(qū)和彈性區(qū)，因此煤巖體本構采用雙線性本構模型。假設軟化區(qū)內煤巖體發(fā)生損傷演化，損傷變量D和等效應變ε呈線性關系，由圖7中煤巖體應力-應變關系可知，煤巖體損傷演化方程可表示為

(3)

將單軸應變推廣至三軸應變情況，煤巖體損傷演化方程變?yōu)?/p>

(4)

(5)

(6)

代入式(4)，進一步得到軟化區(qū)內損傷演化方程：

(7)

4.2 巷道沖擊地壓發(fā)生理論解

對建立的巷道圍巖力學模型進行求解，文獻[23]給出了沖擊地壓發(fā)生理論的具體求解過程。

假設彈性與軟化區(qū)交界處滿足摩爾-庫倫屈服準則：

σθ=mσr+σc

(8)

彈性區(qū)徑向應力σr和切向應力σθ為

(9)

σθ=mσr+(1-D)σc

(10)

定義沖擊傾向性指數K=λ/E，則K在線性條件下相當于煤巖體沖擊傾向性指標中的沖擊能量指數。

在巷道圍巖表面r=a處，滿足邊界條件σr|r=a=pS，得軟化區(qū)內徑向應力分量為

(11)

由r=ρ處徑向應力連續(xù)條件，可得

(12)

考慮遠場應力擾動，根據沖擊地壓發(fā)生的擾動響應判別準則dP/dρ=0，可得發(fā)生沖擊地壓時的臨界軟化區(qū)半徑ρcr

(13)

將式(13)代入式(12)可得，發(fā)生沖擊地壓時的臨界載荷Pcr

(14)

4.3 支護對巷道沖擊地壓的影響

由式(13)可知，一般情況下支護阻力pS與軟化模量λ相差兩個以上數量級，因此支護阻力對臨界軟化區(qū)深度的影響很小，可以忽略不計。

由式(14)可知，支護阻力對沖擊地壓發(fā)生臨界載荷有較大影響。對于φ=30°(m=3) 的情況，有

(15)

由上述公式可見，隨著支護阻力提高，沖擊地壓發(fā)生臨界載荷增加。因此，采煤工作面兩巷進行超前加強支護，增大巷道支護強度，對于預防沖擊地壓發(fā)生，維持巷道穩(wěn)定性至關重要。采用支護強度與支護剛度更高的巷道超前支護液壓支架替換傳統(tǒng)的“單體液壓支柱+頂梁”支護形式能有效提高兩巷超前支護效果，縮小工作面與兩巷超前支護不匹配程度，是減少工作面兩巷災害事故和實現無人化作業(yè)的必要途徑。

5 兩巷超前液壓支護設計

5.1 適應我國巷道條件的液壓支架類型

我國巷道條件多樣、復雜，參照工作面液壓支架分類方法，對巷道超前支護液壓支架進行分類(表1)，討論適應我國巷道條件的支架特征、優(yōu)缺點及適用條件。

表1 巷道超前支護液壓支架分類Table 1 Classification of hydraulic support for advance support of roadway

1)按支架與圍巖作用關系分類。巷道超前支護液壓支架按照與圍巖作用關系可分為支撐式支架、支撐掩護式支架，前者又名垛式支架，二者的區(qū)別在于是否有掩護梁結構。支撐掩護式支架具有支撐式支架支護強度高的特點，同時，掩護梁結構增加了支架的穩(wěn)定性，在現場應用更為廣泛，常作為大采高綜采工作面兩巷超前支護液壓支架的基本架型。

2)按支架穩(wěn)定機構分類。巷道超前支護液壓支架按照穩(wěn)定機構可分為無穩(wěn)定機構支架、四連桿/反四連桿式支架、伸縮桿(箱)式支架以及其他穩(wěn)定機構式支架。其中，四連桿式支架由于穩(wěn)定性高，現場應用最廣泛，其次為伸縮桿(箱)式支架和無穩(wěn)定機構支架。其他類的支架穩(wěn)定機構多配合四連桿機構使用，以增強支架穩(wěn)定性。

3)按支架移動方式分類。巷道超前支護液壓支架按照移動方式可分為自移式支架和循環(huán)式支架2類。自移式支架目前主要為邁步式移動，推移千斤頂控制支架每次向前移動一個步距，其余支架也要向前移動1次，對頂板形成反復支撐。雖然降低支架初撐力可減弱對頂板的破壞，但無法徹底解決反復支撐問題[24]。循環(huán)式支架采用大循環(huán)移動方式對工作面兩巷超前區(qū)域進行支護，即隨著工作面向前回采，最靠近工作面煤壁處的支架移動至支護區(qū)域最外側并進行重新支護，相鄰支架按此方式依次向前循環(huán)，整個過程支架只對頂板支撐1次。

4)按支架防沖性能分類。巷道超前支護液壓支架按支架防沖性能可分為普通液壓支架和吸能防沖液壓支架。雖然提高巷道液壓支架支護阻力有利于提高巷道發(fā)生沖擊地壓的臨界應力，減少沖擊地壓發(fā)生次數。但當沖擊能量較大時，常規(guī)液壓支架通常由于泄壓閥來不及打開而導致支架過載破壞，產生更嚴重的巷道破壞[11]。針對這一問題，潘一山等[25-27]提出提高支護剛度和快速吸能讓位支護的沖擊地壓巷道支護設計思路，并研發(fā)了系列吸能防沖液壓支架。

吸能防沖液壓支架安裝有吸能裝置，與普通巷道液壓支架的形狀、尺寸及使用方法基本相同。吸能裝置是吸能防沖液壓支架的最核心部件，在正常支護荷載下幾乎不發(fā)生變形，使支架與普通支架正常工作狀態(tài)無異，而在較大沖擊地壓發(fā)生時能夠快速恒阻吸能讓位，保證支架液壓立柱等關鍵支撐部位不發(fā)生破壞，對巷道支護系統(tǒng)形成保護，并且支架在沖擊發(fā)生后能夠繼續(xù)發(fā)揮正常支護作用。幾種常見類型的吸能防沖液壓支架如圖8所示，在沖擊地壓動載作用下，支架吸能讓位啟動值一般為1.25～1.50倍的工作阻力，讓壓速率為1～5 m/s，最大縱向沖擊讓位吸收能量為550～1 698 kJ。

5.2 巷道液壓支護設計方法

第1步，沖擊地壓類型確定。沖擊地壓類型確定是進行巷道防沖支護設計的前提，根據發(fā)生機制和特點不同，沖擊地壓可分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型3種類型[18]。若巷道具有沖擊危險性，應結合周邊礦區(qū)沖擊地壓發(fā)生歷史，根據煤層沖擊傾向性、巖體應力、開采深度、地應力、覆巖空間結構、開采布局以及開采擾動等因素，綜合確定巷道沖擊地壓類型。

第2步，礦井發(fā)生沖擊地壓最大釋放能量計算。沖擊地壓釋放能量可根據微震監(jiān)測歷史最大能量進行確定，或采用理論計算進行確定。不同類型沖擊地壓能量釋放主體與能量釋放大小均有所差異，文獻[28]分別給出了3種類型沖擊地壓釋放能量計算方法。以頂板型沖擊地壓為例，采空區(qū)堅硬基本頂在臨界跨度下貯存能量為

(16)

(17)

式中：Pd為基本頂自重和上覆巖層荷載，MPa；H為基本頂厚度，m；Et為巖層拉伸彈性模量，GPa；σt為巖石拉伸強度，MPa；ms為彈性地基剛度系數。

假設能量全部釋放，根據球面波傳播規(guī)律，并考慮衰減情況，巷道超前支護范圍內接收到的沖擊能量為

(18)

式中：α2為折減系數；x1為震源點距巷道端頭距離，m；x2為震源點距巷道超前支護區(qū)域末端距離，m；R為震源點距巷道超前支護區(qū)域某點距離,m。

假設巷道接收的沖擊能量全部由液壓支架吸收，則液壓支架吸能能力應滿足：

(19)

式中：Es為支架總的吸收能量，kJ；Ei為單個支架的吸收能量，kJ；n為超前支護區(qū)域內液壓支架數量，個。

第3步，支護強度和支護長度確定。綜合考慮巷道現有支護技術條件、圍巖變形破壞、應力分布及工作面回采等多個因素，確定工作面超前支護區(qū)域內巷道所需支護強度、支護范圍等參數。

1)超前支護強度確定。支護強度可根據自然平衡拱理論、直接頂重力以及現場經驗等進行確定。以按直接頂重力確定支護強度為例，巷道超前支護液壓支架支護強度pz為

(20)

式中：q為巷道承受直接頂重力，kN；Fg為頂板錨桿提供的支護阻力，kN；Fs為頂板錨索提供的支護阻力，kN；Kd為巷道動載系數；h為頂板破壞高度，m；b為巷道寬度，m；γ為頂板破壞高度范圍內煤巖體容重，kN/m3；α1為煤層傾角，(°)；ηg、ηs為錨桿、錨索支護效率，%；ng、ns為單位長度巷道頂板的錨桿、錨索數量；Ng、Ns為錨桿、錨索支護破斷力，kN。

2)超前支護范圍確定。隨著開采深度增大，工作面超前支承壓力影響范圍增加，兩巷所需加強支護范圍從幾十米逐漸增大至上百米?！睹旱V安全規(guī)程》[29]規(guī)定：“采煤工作面與巷道連接處超前壓力影響范圍內必須加強支護，且加強支護的巷道范圍不小于20 m”。2019年5月，《國家煤礦安監(jiān)局關于加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》[30]對沖擊地壓工作面超前支護范圍提出了進一步要求： “具有沖擊危險的采煤工作面安全出口與巷道連接處超前支護范圍不得小于70 m，綜采放頂煤工作面或具有中等及以上沖擊危險區(qū)域的采煤工作面安全出口與巷道連接處超前支護范圍不得小于120 m?！焙侠淼某爸ёo范圍應當在此基礎上，結合工作面回采過程中的實測礦壓規(guī)律進行確定，超前支護范圍應超過采動超前影響范圍或顯著影響范圍。

第4步，結合巷道形狀、尺寸及頂板條件確定支架類型。

1)分析巷道斷面大小及形狀對支護的要求，大斷面矩形巷道高度多在3.2 m以上，對多種類型支架適應性較強，小斷面、非矩形巷道則對支架尺寸與支護結構有特殊要求?？紤]到局部區(qū)域頂板不平等因素對巷道高度的影響，液壓支架支撐頂板時應留有一定的立柱伸縮余量，避免支架因頂板下沉而被壓死或因巷道高度變大而無法接頂，以液壓立柱在最大行程的2/3時恰好能支撐頂板最為適宜。

即

(21)

式中：S1為支架最小支撐高度，m；S2為支架最大支撐高度，m；H1為巷道平均高度，m。

2)分析巷道支護頂板條件，若頂煤較硬且完整性較好，優(yōu)先選用自移式支架，如自移式的垛式和四連桿式支架。若頂煤較弱，反復支撐易破碎，則優(yōu)先采用循環(huán)式支架。

第5步，確定支架型號與具體支護參數。根據支架類型篩選結果，結合巷道超前支護強度、支護距離要求，確定最終的支架型號與支架數量、初撐力、支護高度、移架方式等多個具體支護參數。

5.3 巷道液壓支護設計算例

鄂爾多斯某礦403工作面開采3-1煤層，3-1煤層厚度約6 m，煤層附近上方巖層依次為砂質泥巖(厚19.7 m)、粉砂巖(厚6.2 m)、粗粒砂巖(厚16.8 m)、中粒砂巖(厚22 m)、砂質泥巖(厚14 m)、粉砂巖(厚8 m)以及砂質泥巖(厚6 m)。其中，中粒砂巖層為頂板運動主控巖層。403工作面回風巷經評價整體具有中等沖擊危險性，工作面超前區(qū)域需要采用巷道超前支護液壓支架進行加強支護。巷道超前液壓支護設計及支架選型過程如下：第1步，沖擊地壓類型確定。根據礦井煤巖沖擊傾向性鑒定、礦井沖擊危險性評價以及歷史動力顯現等資料，判斷煤層上方厚層基本頂破斷運動是工作面開采過程中動力顯現的主要原因，工作面沖擊地壓類型為頂板斷裂型。第2步，沖擊地壓能量計算。鄰近工作面基本頂實測初次來壓步距為40～60 m，考慮到不同工作面頂板破斷可能存在差異，臨界采空區(qū)跨度取80 m，基本頂厚度取22 m，彈性地基剛度系數取1.0 GPa，巖層拉伸彈性模量取1.5 GPa，巖層承受均布荷載按基本頂巖層及上方隨動巖層自重荷載取2 MPa。根據式(16)計算得到基本頂巖層在臨界采空區(qū)跨度條件下斷裂釋放的能量Π=1.871×108J。

假設頂板斷裂震源位置在基本頂巖層中部，位于工作面出口正上方53.7 m，根據幾何關系，震源點距巷道端頭距離x1為53.7 m，震源距巷道0～120 m超前支護區(qū)域末端距離x2為131.5 m。根據球面波傳播規(guī)律，并考慮衰減情況，折減系數α2取0.3，巷道超前支護范圍內接收到的沖擊能量為

假設巷道接收的沖擊能量全部由液壓支架吸收，則超前支護范圍內液壓支架總吸收能量應滿足：

第3步，支護強度和支護范圍確定。①超前支護強度確定。根據相鄰工作面開采礦壓顯現，巷道動載系數Kd取3，巷道寬度b取5 m，頂板破壞高度h取頂板錨索長度6.3 m，包括厚2.4 m的頂煤和厚3.9 m砂質泥巖，頂煤和砂質泥巖的容重y分別取14、26 kN/m3，煤層傾角α1取0°，錨桿、錨索支護效率ηg和ηs分別取40%和60%，每排錨桿、錨索數量分別為6根和3根，錨桿破斷力取150 kN，錨索破斷力取320 kN。根據式(19)，單排巷道長度上的液壓支架支護強度pz至少應為886.5 kN。換算成對巷道頂板平均支護強度為0.2 MPa。②超前支護范圍確定。相鄰工作面沿空側巷道實測礦壓顯現影響范圍約為112 m，因此超前支護范圍取為120 m。

第4步，結合巷道形狀、尺寸及頂板條件確定支架類型。巷道為大斷面矩形巷道，巷道凈寬5 m，凈高3.6 m，考慮到巷道頂底板不平導致的巷道高度差異，結合式(20)對液壓支架高度的要求，支架支撐高度選為2 800～4 500 mm。為了增大支架與頂板接觸面積，支架伸展寬度應盡量大于巷道寬度的1/2，支架支撐寬度選為3 000 mm。巷道頂煤單軸抗壓強度為29 MPa，較為堅硬且完整性較好，巷道頂板平整，支架選擇自移式的垛式支架。

第5步，確定支架型號與具體支護參數。根據前4步對支架類型篩選結果以及現場實際工程條件，最終選取ZZ14000/28/45型防沖吸能液壓支架，數量14架，布置于工作面超前0～120 m。主要技術參數如下：支架類型：四柱支撐掩護式吸能防沖液壓支架；運輸尺寸5 050 mm×1 600 mm×2 200 mm；支護高度2 800～4 500 mm；支架寬度1 600 mm；初撐力7 754 kN；工作阻力14 000 kN；支護強度0.33 MPa；底板平均比壓1.96 MPa；縱向沖擊讓位吸收能量3 762 kJ；縱向沖擊讓位平均阻力16 800 kN；經驗算，單個巷道液壓支架支護頂板面積為42.85 m2，則支架平均支護強度p′=0.33 MPa>0.2 MPa。單架吸收能量3 762 kJ，超前支護范圍內支架總吸收能量Es=5.27×107J>4.18×107J。因此，支護強度與吸收能量均滿足要求。

6 結 論

1)相比于工作面礦壓，兩巷應力集中程度更高、采動影響范圍更大、圍巖變形破壞更嚴重。巷道對支護的要求更高，支護難度也更大。理論分析結果表明，增大支護強度可提高巷道發(fā)生沖擊地壓臨界荷載，增加巷道安全性。

2)目前工作面支護水平顯著高于兩巷支護水平，兩巷超前區(qū)域普遍采用的單體液壓支柱支護強度低、護頂效果與穩(wěn)定性較差。巷道超前支護液壓支架替換單體液壓支柱是提高兩巷超前支護效果，減少工作面兩巷沖擊地壓事故必然選擇。

3)采用分類研究方法，討論了適應我國巷道條件的液壓支架類型、優(yōu)缺點及適用條件?；跊_擊地壓類型、巷道釋放能量計算、巷道形狀尺寸以及頂板條件等因素，提出兩巷超前液壓支護設計方法。