郭 佳（安徽省煤炭科学研究院，安徽 合肥　２３０００１） 

摘要：为了保证工作面在末采期间回撤通道的稳定性，实现设备安全高效回撤，以葫芦素煤矿 ２１１０２ 综采工作面为背景，提出了回撤通道围岩稳定性控制的支护方式，即顶板长锚索 ＋帮部中长锚索 ＋锚 杆 ＋双排高强支柱的支护方式。高强支柱采用新型 ＺＫＤ型高水速凝充填材料，内部充填速凝高强材 料。为防止立柱歪倒，采用长 １５ｍ的树脂锚杆与顶板锚索用卡扣连接，将树脂锚杆与高强立柱浇筑 成一体，立柱外侧采用 ＨＤＰＥ树脂套管约束，并间隔 ２００ｍｍ采用约束钢带箍筋。工程实践表明，在工 作面末采期间，回撤通道采用锚网索 ＋高强支柱的支护方式，能有效控制回撤通道顶板和帮部的变 形，取得了较好的围岩控制效果。

关键词：高强支柱；回撤通道；巷道围岩；高水速凝充填材料

     工作面开采结束后，回撤工作面设备是煤矿生 产接替的重要环节［１］ ，回撤通道的有效支护和稳定 是保证设备安全快速撤除的前提条件［２］ 。如果回 撤通道支护方式和强度不合理，由于受到工作面动 压的影响，可能会发生冒顶和压架事故，严重威胁着 人员和设备的安全。

    国内外众多专家学者对工作面末采期间的矿压 特征和回撤通道的支护进行了研究。王中州等［３］ 针对薄基岩破碎顶板回撤通道，提出了扩帮和顶板 锚索、煤帮锚杆联合支护技术；赵振伟等［４］ 分析了 大采高工作面回撤通道围岩变形规律，优化了支护 方式；谷拴成等［５］ 分析了末采期间剩余的煤柱受力情况，获得了回撤通道两侧煤体应力变化规律；于宪 阳等［６］ 分析了采动对煤帮的破坏及注浆重构技术； 杨娟［７］ 研究了工作面推进速度对来压的影响规律； 吕坤等［８］ 对特厚煤层综放面回撤通道的变形进行 了研究，提出适当注入马丽散加强回撤通道的支护； 姚鑫磊［９］ 研究了化学注浆技术在回撤通道顶板切 落事故中的应用。针对不同的地质和开采条件，形 成了多种工作面回撤通道支护技术［１０１５］ 。 

    相关研究虽然取得了一定的成果，但由于地质 和开采条件的差异，以及末采阶段动压对回撤通道 的扰动程度不同，导致回撤通道的稳定性控制依然 存在难题。因此，本文以葫芦素煤矿 ２１１０２综采工 作面为背景，提出了回撤通道围岩稳定性控制的新 型支护方式，并在现场进行了试验，取得了较好的回 撤通道稳定性控制效果。 

１　工作面与回撤通道概况 

    ２１１０２综采工作面为葫芦素煤矿首采工作面， 位于葫芦素井田 ２１煤一盘区西部，工作面北部是 为整个东翼服务的 ３条大巷，南部为葫芦素煤矿五 盘区，西部为 ２１１０１工作面，东部为 ２１１０３工作面。 工作面长度 ３２０ｍ，推进长度 ４１５０ｍ。工作面采深 ６２６１７～６４７９１ｍ。煤层倾角为 １°～３°，煤层平均 厚度为２５５ｍ，采高２０～３０ｍ，平均采高２５５ｍ。 

   ２１１０２工作面提前预掘双回撤通道，主回撤通 道宽度 ４８ｍ，高度 ３２ｍ，底板铺底厚度 ０２ｍ，铺 底混凝土强度等级 Ｃ２０；辅回撤通道宽度 ５２ｍ，高 度 ３２ｍ，底板铺底厚度 ０２ｍ，铺底混凝土强度等 级 Ｃ２０，喷浆厚度 ８０ｍｍ；主辅回撤通道共布置 ４条 联络巷，联络巷宽度 ５２ｍ，高度 ３２ｍ，底板铺底厚 度 ０２ｍ，铺底混凝土强度等级 Ｃ２０。 

２　回撤通道围岩支护方式 

    为保障工作面临近终采线时回撤通道的稳定， 回撤通道采取锚网索 ＋双排高强立柱支护方式。在 回撤通道掘进期间，采取锚网索支护，在工作面临近 终采线时，采取施工双排立柱支护。 

２１　锚网索支护 

   葫芦素煤矿 ２１１０２工作面回撤通道在采用掘进 期间，采取锚网索支护保障通道的稳定性。顶板锚 索 ２１６ｍｍ×８２００ｍｍ，间距 １８００ｍｍ；非回采侧 锚索 １７８ｍｍ×５２００ｍｍ，距底板 １８００ｍｍ；螺纹 钢锚杆 ２２ｍｍ×２４００ｍｍ，间距 １０００ｍｍ。回撤 通道支护如图 １所示。

图 １　回撤通道支护示意 

Ｆｉｇ１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ ｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｒ ｗｉｔｈｄｒａｗａｌｐａｓｓａｇｅ 

２２　高强立柱支护 

    ２１１０２工作面回撤通道高强立柱采用新型 ＺＫＤ 型高水速凝充填材料，其是一种新型双料特种水泥 混合材料，强度达到 Ｃ１５，即立柱承载材料大于 １５ ＭＰａ的配比。立柱外侧为 ＨＤＰＥ树脂套管，目的在 于提高立柱的围压。 

   该材料由甲料、乙料构成。甲料、乙料以质量比 １∶１配合使用。其中甲料是以硫铝酸盐水泥熟料为 基材，与悬浮剂及少量超缓凝剂混磨而成，乙料是由 石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝早强剂等混磨而成。 针对工作面采高大、充填体接顶相对困难的特点，选 用袋装净浆材料进行充填，以使充填体接顶密实，充 填体使用的水灰比确定为 １∶１。 高强立柱的结构如图 ２所示，现场应用如图 ３ 所示。

   高强立柱内部充填速凝高强材料，其强度可 达 １５ＭＰａ，初凝时间 ３ｈ，终凝 ３～５ｄ。速凝材料灌 注时需用聚酯隔水布做内衬，外加 ＨＤＰＥ套管约束， 后期在立柱外围间隔 ２００ｍｍ用约束钢带箍筋，为 防止歪倒，采用长 １５ｍ的树脂锚杆与顶板锚索用 卡扣连接，将树脂锚杆与高强立柱浇筑成一体。 

３　高强立柱的强度验算 

   当 ２１１０２工作面临近工作面前方的回撤通道 时，建立的力学模型如图 ４所示。图 ４中，ＦＡｘ为煤 壁端水平约束力；ＦＡｙ为煤壁端竖向约束力；ＭＡ 为平 面弯矩约束力；ＰＣ 为高强柱支撑力；ＴＢ 为岩梁断裂 端剪切力；ｑ为上覆岩层施加载荷；ｌ为岩梁在采空 区悬露长度；ｈｌ为巷道高度；ｈ为基本顶厚度；Δｘ为 微位移；Ａ为副帮顶板端点；Ｂ为正帮顶板端点；Ｃ 为立柱顶中心点。

图 ２　高强立柱的结构构成 

Ｆｉｇ２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｌｕｍｎ 

图 ３　高强立柱现场应用 

Ｆｉｇ３　Ｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｌｕｍｎ 

   根据模型建立平衡方程式： 由∑Ｆｘ＝０，可得∑ＦＡｘ＝０；由∑Ｆｙ＝０，可得 ｑＬ＝ ＦＡｙ＋ＰＣ －ＴＢ；由∑Ｍ＝０，可得 ＭＡ ＋ＰＣ（Ｌ－ｘ）＝ ｑＬ２／２＋ＴＢ／Ｌ。 

３１　立柱强度的验算 

   按顶板冒落高度 ５ｍ（按一般冒顶高度），高强 柱间距 １８ｍ，则每个高强柱上方顶板作用力为 ２２０５ｋＮ，呈均布载荷。 

图 ４　空巷内高强柱受力情况 

Ｆｉｇ４　Ｓｔｒｅｓｓｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｌｕｍｎｉｎｇｏａｆ 

根据高强立柱 ＰＣ 点载荷公式：

(1)假设当采煤机距离正帮还有 １ｍ时，顶板 岩梁长 Ｌ＝４８ｍ，ｌ＝１ｍ；Ｐ点载荷 ＲＰ ＝７７２６６８ ｋＮ。按高强柱径 １０ｍ计算，横截面面积为 ０７８５ ｍ２ ，则高强柱强度至少需满足 ０９８ＭＰａ。 

（２）假设当采煤机距离正帮还有 ５ｍ时，顶梁 长 Ｌ＝４８ｍ，ｌ＝５ｍ；Ｐ点载荷 ＲＰ ＝２２０７ＭＮ。按 高强柱径 １０ｍ计算，横截面面积为 ０７８５ｍ２ ，则高 强柱强度至少需满足 ２８ＭＰａ。 

（３）假设当采煤机距离正帮还有 １０ｍ时，顶梁 长 Ｌ＝５４ｍ，ｌ＝１０ｍ；Ｐ点载荷 ＲＰ ＝５０３１ＭＮ。按 高强柱径 １０ｍ计算，横截面面积为 ０７８５ｍ２ ，则高 强柱强度至少需满足 ６４ＭＰａ。

   综上可知，工作面顶梁及早断裂，高强柱的受力 越小，对支护越有利，建议做好断顶卸压工作。由计 算可知，立柱承载强度超过 ６４ＭＰａ可满足要求。 

３２　立柱间距的验算 

   根据实验测试，１０００ｍｍ支柱的承载能力约 为 １１４ＭＮ，８００ｍｍ 支柱的承载能力约为 ７４ ＭＮ。高强支柱数量与支护强度的关系如下： 

Ｐ＝（Ｔ１×ｍ１＋Ｔ２×ｍ２）／Ｓ 

式中，Ｔ１、ｍ１ 分别为 １０００ｍｍ高强支柱的支护能 力、数量；Ｔ２、ｍ２ 分别为 ８００ｍｍ高强支柱的支护 能力、数量；Ｓ为巷道顶板面积；Ｐ为支护强度。 如果打 ２排 １０００ｍｍ立柱，间距 １８ｍ，则支 护强度 Ｐ＝２６３ＭＰａ；

   如果打 ２排 １０００ｍｍ和 ８００ｍｍ 立柱，间距 １８ｍ，支护强度 Ｐ＝２１７ ＭＰａ；如果打 ２排 ８００ｍｍ立柱，间距 １８ｍ，支护 强度 Ｐ＝１７ＭＰａ。 

   实际上，回撤通道附近的控顶范围不止 ５３ｍ， 在煤壁临近 ５ｍ时就需要控顶，因此走向上控顶范 围需按 １０１ｍ左右考虑。计算如下：如果打 ２排 １０００ｍｍ立柱，间距 １８ｍ，则支护强度 Ｐ＝１２５ ＭＰａ；如果打 ２排 １０００ｍｍ和 ８００ｍｍ立柱，间 距 １８ｍ，支护强度 Ｐ＝１０３ＭＰａ；如果打 ２排 ８００ ｍｍ立柱，间距 １８ｍ，支护强度 Ｐ＝０８１ＭＰａ。

   根据矿压监测，６～８ＭＮ区间为 ２８２％，８～１０ ＭＮ区间为 ６５３％，液压支架额定阻力 １０ＭＮ（约 １１ＭＰａ），即 回 采 期 间 ０８８～１１ ＭＰａ的 占 ６５３％，０６６～０８８ＭＰａ的占 ２８２％。

    综上可见，考虑到回撤期间控顶停留时间较长， 顶板的支护强度大于 １１ＭＰａ即可。

   当架设 ２排 １０００ｍｍ立柱、间距 １８ｍ时，考 虑到锚杆索的初始支护 ０１ＭＰａ，则对顶板的支护 强度为 １３５ＭＰａ的支护强度，基本可满足要求。因 此，建议架设 ２排 １０００ｍｍ立柱，间距 １８ｍ，排 距 １２ｍ，可“三花”布置。

４　回撤通道围岩控制效果 

４１　高强立柱的施工工艺 

      回撤通道采用的高强立体支柱的施工工艺：① 用风镐将巷道底板按直径 １０ｍ、卧底深约 １００ ｍｍ，底板找平、防止立柱架设时歪斜；②将立柱横截 面内的顶板锚索的露头与树脂锚杆（长约 １５ｍ）用 Ｕ型卡子固定连接好；③将聚酯隔水布筒（下端封 口、直径 １０ｍ）套入 ＨＤＰＥ管内，将管体立直、扶 正，并在上端用铁丝与顶板网片固定好，树脂锚杆在 套管内部适当位置；④将输料管路连接好，并在注料 口用铁丝将隔水布与管路扎好，采用 ＺＢＹＳ矿用双 液泵及配套的搅拌桶，将速凝材料的甲乙配料按 １ ∶１比例混合，泵送入套管内。泵送过程中观察上方 接顶情况，泵压的作用下聚酯隔水布自适应接顶；⑤ 采用风动钢带紧束设备，用宽度 ３２ｍｍ、厚 １２ｍｍ 的钢带，沿立柱从上到下每间隔 ２００ｍｍ束紧；⑥采 用立柱防倒卡子将各个立柱连接，防止横向歪倒。 高强支柱可以被采煤机割碎，用胶带运出，作业 的机械化程度高。高强支柱所用的材料为水泥灌 浆，由远端泵送到需要支护的区域，泵入充填袋中。 充填袋是通过悬挂在顶板上形成一个空间来注满水 泥浆，从而形成支撑柱。高强支柱支护方式具有以 下优点：①操作灵活，可在任意地点架设；②材料用 量省，架设迅速，支护强度高；③采煤机可直接截割 破碎立柱，无需工人处理；④由于立柱支护强度高， 可将巷帮金属网剪去，避免缠绕采煤机滚筒。 ４２　高强立柱支护应用效果 由于工作面回采过程中，工作面前方存在超前 支承压力，在工作面临近回撤通道时，会对回撤通道 产生扰动，造成回撤通道顶板垮塌，片帮、大范围冒 顶、甚至压死支架等灾害。因此，双回撤通道在 ２１１０２工作面回采期间预先掘进，并施工两排高强 立柱，如图 ５所示。

图 ５　双排高强柱 

Ｆｉｇ５　Ｄｏｕｂｌｅｒｏｗｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｌｕｍｎｓ 

  该立柱支护强度高，可将巷帮金属网剪去，避免 缠绕采煤机滚筒。当采煤机临近高强立柱时，可直 接割碎高强立柱，无需工人处理，然后用胶带运出。 回撤通道在锚索网 ＋高强支柱支护的条件下，回撤 通道围岩控制效果较好，现场观察回撤通道变形量 较小，取得了较好的控制效果（图 ６、图 ７）。

图 ６　工作面揭露双排高强立柱支护空巷效果

Ｆｉｇ６　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｏｕｂｌｅｒｏｗｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｌｕｍｎｓ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｇｏａｆｅｘｐｏｓｅｄｉｎｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ 

５　结论 

（１）为保证工作面临近终采线和工作面设备回 撤期间回撤通道的稳定性，提出了回撤通道围岩稳 定性控制的支护方式，即顶板长锚索 ＋帮部中长锚 索 ＋锚杆 ＋双排高强支柱的支护方式

图 ７　采煤机割掉两排高强立柱的效果 

Ｆｉｇ７　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｈｅａｒｅｒｃｕｔｔｉｎｇｏｆｆｔｗｏｒｏｗｓｏｆ ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｌｕｍｎｓ 

（２）回撤通道高强支柱采用新型 ＺＫＤ型高水速 凝充填材料，内部充填速凝高强材料，强度可达 １５ ＭＰａ，为防止立柱歪倒，采用长 １５ｍ的树脂锚杆与 顶板锚索用卡扣连接，将树脂锚杆与高强立柱浇筑 成一体，立柱外侧采用 ＨＤＰＥ树脂套管约束，并间隔 ２００ｍｍ采用约束钢带箍筋。 

（３）工程实践表明，回撤通道采用锚网索 ＋高 强支柱的支护方式，在工作面临近终采线和设备回 撤期间取得了较好的围岩控制效果。 

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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍

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

【联系电话】：18075188209  

 

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