张国恩，解振华，史洪恺
（国能神东煤炭集团有限责任公司乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 ０１７２０５）
摘 要：为保证工作面安全高效回采，对乌兰木伦煤矿 １２４０５工作面合理支护进行理论分析，设计 了 １２４０５工作面过多条空巷支护方式，并利用尤洛卡矿压观测系统进行现场矿压观测分析。研究 结果表明，设计方案能够满足安全高效的回采空巷群；在减慢推采速度时，工作面来压步距减小且 压力相应减弱；工作面在末采挂网期间需降低推采速度，降低压力在贯通过程中对垛架的影响。经 现场实践，验证了在空巷内部布置柔模泵送支柱能够对巷道顶底板围岩变形起到较好 的控制作用，可以保证正常生产接续。
０ 引言
综采工作面过空巷一直是影响安全高效回采的 技术难题［１－２］ 。为减少煤炭资源的浪费，合理开采 空巷群区域的煤层尤为必要［３－４］ 。近年来，国内外 综采面过空巷技术已趋于成熟［５－１０］ ，但综采面过多 条平行于工作面空巷技术有待进一步深入研究。为 此，以乌兰木伦矿 １２４０５综采面为背景，在分析煤层 赋存条件的基础上，应用理论分析等方法，确定行之 有效的过空巷支护方案，并通过现场矿压分析支护 效果，以验证该泵送支护设计方案对顶板变形的控 制效果。
１ 工程概况
１２４０５工作面位于 １２号煤层四盘区西翼第 ５个工作面，煤层底板标高 １１７２．６～１１９０．６ｍ。该 工作面为倾斜长壁综合机械化回采工作面，整体呈 东西方向布置，该工作面推进长度 １７１４．１ｍ，工作 面宽度 ２２６．６ｍ，１２４０５－１综采面初采期间遇 １２４０５ 水仓１、水仓２、水仓３，其中５条空巷与工作面垂直， 其余 ７条空巷与工作面平行。如图 １所示。
图 １ １２４０５综采面示意
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ１２４０５ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ
２ 巷道支护理论与支护方案设计
２．１ 回采巷道围岩变形破坏力学机制
基于平面应变假设［１１］ ，巷道开挖前后岩体某一 点的应力现状可以用摩尔应力圆来描述，直线 τ＝Ｃ ＋σｔａｎω为破裂线，其中 ω为内摩擦角，（°）；Ｃ为 内聚力，ＭＰａ。巷道开挖前，其与应力圆处于相离状 态，岩体未破坏，如图 ２曲线 ａ所示；巷道开挖时，岩 体应力值降低，应力圆向左移动，当应力圆与破裂线 正好相切时，就意味着岩体已经达到了剪切破坏的 极限状态，如图 ２曲线 ｂ所示；巷道开挖后，巷道表 面主应力 σ３＝０，随后岩体就会发生塑性变形，从而 导致塑性破坏，如图 ２曲线 ｃ所示。
图 ２ 巷道开挖前后应力圆变化
Ｆｉｇ．２ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｃｉｒｃｌｅｂｅｆｏｒｅ ａｎｄａｆｔｅｒｒｏａｄｗａｙｔｕｎｎｅｌｉｎｇ
２．２ 柔模泵送支柱支护理论
在参考国内外专家学者的相关研究理论的基础 上［１２－１３］ ，结合 １２号煤层工作面液压支架受力情况， 将柔模泵送支柱受力情况简化为受直接顶的载荷及 基本顶通过直接顶传递的载荷。直接顶载荷的计算 见式（１） Ｑ１ ＝∑ｈＬ１γ （１） 式中，Ｑ１为直接顶载荷，ｋＮ／ｍ；∑ｈ为直接顶厚，ｍ； Ｌ１为直接顶悬顶距，ｍ；γ为直接顶体积，ｋＮ／ｍ３ 。
基本顶的载荷以直接顶载荷的倍数进行估算， 在多数矿井老顶载荷的测定中，以一般工作面为准， 周期来压时形成的载荷不超过平时载荷的 ２倍。基 本顶的载荷为 Ｑ２，则 Ｐ＝Ｑ１ ＋Ｑ２ ＝ｎ∑ｈγ （２） 式中，Ｐ为考虑直接顶及老顶来压时的支护强度， ｋＰａ；ｎ为老顶来压与平时压力强度的比值，称为动 载系数，取 ２。
１２４０５工作面直接顶为细砂岩，厚度 ４．６～ ９．９８ｍ，以 ２倍直接顶厚度作为基本顶传递的载 荷［１４－１５］ 。因此，支柱载荷 Ｑ需要承受直接顶载荷 Ｑ１ 和基本顶传递载荷 Ｑ２，即 Ｑ２ ＝２Ｑ１，则 Ｑ ＝Ｑ１ ＋Ｑ２ ＝３Ｑ１ （３）
２．３ 空巷支护设计方案
水仓１支护设计为宽度５ｍ，高度３．１ｍ。平行工 作面采用 ２２．４ｍｍ×８０００ｍｍ锚索 ＋４．６ｍＷ钢 带，锚索每排 ３根锚索，排距 ３ｍ；垂直工作面 １０ｍ 范围内采用 ２２．４ｍｍ×８０００ｍｍ锚索 ＋４．６ｍＷ 钢带，锚索每排 ３根锚索，排距 ３ｍ。
水仓 ２支护设计为宽度 ５ｍ，高度 ３ｍ。平行工 作面采用 ２２．４ｍｍ×８０００ｍｍ锚索 ＋４．６ｍＷ钢 带，锚索每排 ３根锚索，排距 １．５ｍ。垂直工作面 ６ｍ 范围内采用 ２２．４ｍｍ×８０００ｍｍ锚索 ＋４．６ｍＷ 钢带，锚索每排３根锚索，排距１．５ｍ；６ｍ范围外，排 距 ３ｍ。
水仓３支护设计为宽度５ｍ，高度３．２ｍ。平行工 作面和垂直工作面 １０ｍ范围内采用 ２８．６ｍｍ × ８０００ｍｍ锚索 ＋４．６ｍＷ钢带，锚索每排３根锚索， 排距１．５ｍ。垂直工作面１０ｍ范围外采用 ２２．４ｍｍ ×８０００ｍｍ锚索 ＋４．６ｍＷ钢带，锚索每排 ３根锚 索，排距 ３ｍ。
水仓 １、２、３泵送支柱支护直径 ９００ｍｍ。平行 巷道内与垂直巷道交叉点处泵送支柱布置 ２排，每 排３套，间排距３ｍ×２．５ｍ；垂直巷道内与平行巷道 交叉点处 ６ｍ范围内泵送支柱布置 １排，间距 ３ｍ。
３ 柔模泵送支柱工艺
３．１ 支柱定位及模袋悬挂
在空巷群内按照设计方案进行支柱为主定点， 在巷道顶板上标示支柱位置点，以便于张挂支柱袋子时确定位置。按照预先确定的位置，由开始准备注 浆的位置开始悬挂，通过铁丝将模袋顶部挂在巷道 顶板铁丝网或者锚杆露头上，同时，尽量将模袋上的 挂钩尺寸用完，使袋子第 １个钢圈尽量贴近顶板，以 便减少充填袋的长度的浪费。同时，挂钩与顶板固定 物要绑扎牢固，以免将来注浆时松弛造成模袋下坠 难以有效接顶。模袋要垂直悬挂，底部正好落于设计 位置。
３．２ 固定模袋
模袋悬挂后，采用４～６根尺寸为５ｍｍ×５ｍｍ ×４２００ｍｍ 的方木条，按照空巷高度均匀布置在模 袋四周，方木条与模袋紧贴并垂直地面，以保证袋子 竖直。方木条与模袋紧贴后，采用铁丝捆绑固定在模 袋上，与模袋形成一个整体，铁丝不少于３～４道，平 均布置在柱子竖直方向。同时，方木条长度不得低于 巷道高度 １００ｍｍ，以保证模袋的稳固与竖直不发生 偏斜。
３．３ 泵送环节
泵送系统为单组分材料与水通过制浆机进行搅 拌泵送。柔模泵送支柱施工过程具体如下：一是注浆 时可采用一次成型充填完承压层，然后充填让压层。 注浆管路在注浆位置处，采用三通分成 ２根，每根管 道连接一个截止阀，以便更换。二是将井下静压水管 与泵进水口连接好，水流量不得低于８０Ｌ／ｍｉｎ。开机 后，待浆料比例、反应速度合适后，立即将输料管出 料口快速插入模袋的进料口，开始注浆。２根注浆管 同时注浆时，２个模袋之间必须有半个袋子的缓冲 时间，以保证注浆工作的连续性。当每个柱子快要注 浆到袋子注浆口位置时，快速更换到下一个，循环作 业，但是不得充过充填口，防止浆液凝固堵住充填 口，接顶材料施工时不能充注。
４ 柔模泵送支柱支护效果分析
４．１ 数值模型的建立
建立５０ｍ×５０ｍ×５０ｍ（长 ×宽 ×高）的计算 模型，未考虑煤层倾角，模型的左右前后 ４个侧面为 单约束边界，施加水平方向的约束，即边界水平位移 为 ０。模型底部为全约束边界，即底部边界结点水平 位移、垂直位移均为 ０。在空巷中建立柔模泵送支柱 模型，支柱高度 ２．８ｍ、直径 １ｍ，支柱按单列直线型 布置。煤岩体物理力学参数见表 １。
４．２ 数值模拟结果分析
首先在数值模型中仅进行单条空巷开挖，分别 对有无布置柔模泵送支柱的模型进行计算，并对计 算结果进行对比分析，如图 ３、４所示。从图 ３（ａ）可 以看出，由于空巷开挖，在巷道两帮岩体中形成应力 集中现象，应力集中系数达到 １．７；在巷道顶板和底 板岩层中出现应力降低现象，伴随有岩体破坏现象。 从图３（ｂ）可以看出，空巷中布置的充填支护起到了 一定的支护作用，巷道顶板中的应力降低程度有所 减缓，尤其是在支柱上方及下方的岩体中有明显改 善，说明在柔模泵送支柱的支护作用下，空巷顶底板 岩层变形破坏范围有所减小。
表 １ 煤岩体物理力学参数
Ｔａｂｌｅ１ Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｂｏｄｙ
图 ３ 垂直位移分布对比
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
从图 ４（ａ）中可以看出，空巷开挖后，在空巷周 边岩体中造成了大范围的塑性破坏，其中空巷顶板岩层中塑性破坏范围很大，空巷底板岩层中很大范 围内的岩体基本全部塑性破坏。从图 ４（ｂ）中可以 看出，空巷内布置柔模泵送支柱后，空巷顶底板岩体 中塑性破坏范围明显减小，空巷顶板岩体中的塑性 破坏范围减小，且在支柱上方并未发生塑性破坏；空 巷底板岩体中的塑性破坏范围仅为 ３ｍ，中间的柔 模泵送支柱发生了较大范围的塑性破坏，而两侧的 柔模泵送支柱内部并未发生大范围的塑性破坏，说 明支柱起到了较好的支护作用，且自身稳定性较好。
图 ４ 塑性破坏分布对比
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｌａｓｔｉｃｆａｉｌｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
４．３ 过空巷矿压观测及效果分析
利用尤洛卡矿压观测系统实时观察工作面支架 压力情况，将支架工作阻力数据传送至控制台，进而 对数据进行记录和保存。１２４０５综采面 １＃～１３４＃支 架段工作面来压 ２４次，来压步距 ４．８～２７．２ｍ，平 均来压步距 １２．６ｍ；压力增阻区在 ２．４～２０．８ｍ，平 均增阻区 ７．０ｍ，压力稳定区在 １．６～１１．２ｍ，平均 稳定区在 ５．７ｍ。来压区域 ２０＃～１１０＃支架段，工作 面煤壁出现片帮，但工作面整体顶板较完整。说明 通过泵送支柱有效支护，工作面超前支架段来压不 明显，超前支架及单体无压力显现，如图 ５所示。两 顺槽顶板离层仪和两帮移近似无变化，但在回采至 联巷口，密闭出现不同程度的喷浆层掉落。
图 ５ 过空巷泵送支柱示意
Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｐｕｍｐｉｎｇ ｐｒｏｐｉｎｔｈｅｃｒｏｓｓａｂａｎｄｏｎｅｄｒｏａｄｗａｙ
５ 结论
（１）在减慢推采速度时，工作面来压步距减小 且压力相应减弱。工作面在末采挂网期间需降低推 采速度，降低压力在贯通过程中对垛架的影响。
（２）支护对策应用于现场实践，在空巷内部布 置柔模泵送支柱能够对巷道顶底板围岩变形起到较 好的控制作用，保证了正常生产接续。
（３）矿压自动分析处理系统有待进一步研究， 数据采集、筛选、后处理全程实现在线处理，便于矿 压管理的即时性，更具有指导意义。 参考文献： ［１］ 徐青云，宁掌玄，朱润生，等．综放工作面充填过 空巷顶板失稳机理及控顶研究［Ｊ］．采矿与安全 工程学报，２０１９，３６（３）：５０５－５１２． ［２］ 韦四江，李宝富．预紧力锚杆作用下锚固体的形 成与失稳模式［Ｊ］．煤炭学报，２０１３，３８（１２）：２１２６ －２１３２． ［３］ 张锦红．泵送支柱支护技术在工作面过空巷中的 应用［Ｊ］．煤，２０１９，２８（４）：２８－２９，６５．
［４］ 刘建宇，康国彪．补连塔煤矿 １２４１３工作面过上 覆空巷矿压规律［Ｊ］．煤矿安全，２０１８，４９（Ｓ１）：１８ －２１，２６．
［５］ 魏文宇．复采工作面过空巷支护技术方案研究 ［Ｊ］．煤炭科技，２０１９，４０（３）：９９－１０１．
［６］ 赵勇，陈正拜，陈帅志，等．综放工作面过空巷时 围岩控制研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１８，３７（１０）：３７－ ３９．
［７］ 张国恩，赵建明，胡江，等．乌兰木伦煤矿综采面 过空巷泵送支柱支护技术研究［Ｊ］．煤炭工程， ２０１９，５１（８）：３５－３８．
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
【联 系 人】：苏女士
【联系电话】：18075188209
乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，培新矿机的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，培新矿机不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
【联 系 人】：苏女士
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