张国恩１ ， 赵建明２ ， 胡 江１ ， 刘虎生１
（１ 国家能源集团神东煤炭集团 乌兰木伦煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 ０１７２０５； ２ 鄂尔多斯市煤炭局， 内蒙古 鄂尔多斯 ０１７０００）
摘 要： 为了安全顺利通过布置有多条平行于工作面空巷的 １２４０４－１ 综采面， 分析了乌兰木伦煤 矿 １２４０４－１ 综采面顶板岩性参数， 按照顶板岩层自重的 １ ３ 倍安全系数计算并选择合理支护强度及支 护形式， 并采用空巷泵送支柱进行了补强支护。 回采实践证明 “泵送支柱＋锚索” 联合支护能够完全 满足回采期间空巷顶板的稳定性， 实现了综采面快速、 高效通过多条近距离平行于工作面空巷。
关键词： 综采工作面； 过空巷； 泵送支柱； 支护技术
乌兰木伦煤矿 １２ 煤五盘区共布置 ５ 个工作面， 工作面推进长度相对较短， 基本在 １０８０ｍ 左右， 工 作面辅助回撤通道距 １２４０４ 主运巷 １１３ｍ， 为提高盘 区煤炭资源回收率， 减少煤炭资源浪费， 决定在工 作面辅助回撤通道与 １２４０４ 主运巷之间布置综采工 作面， 将辅助回撤通道作为回风巷， １２４０４ 主运巷 作为进风巷。 综采工作面回采将面临的困难是需要 过 ９ 条空巷， 其中， ８ 条平行于工作面， １ 条垂直于 工作面。 国内外综采工作面过单独空巷或远距离多 条空巷时通常采用工作面调斜推进［１，２］ ， 首先使部分 工作面先揭露空巷， 然后工作面的余下部分再揭露 空巷， 避免工作面一次性全断面揭露空巷。 而乌兰 木伦煤矿工作面存在多条近距离平行于工作面的空 巷， 不具备调斜推进过空巷的条件， 必须采取补强 空巷支护强度， 从而使工作面顺利通过空巷。 本文 研究采用综采面过空巷泵送支柱支护技术， 并确定 过空巷时泵送支
柱的支护方式、 支护强度、 支柱直 径等， 分析支护材料性能， 并制定支护工艺， 最终 确定支护方案。
１ 煤柱回收方案
为提高煤炭回收率， 减少资源浪费， 计划回收１２５０１、 １２５０２ 和 １２５０３ 辅助回撤通道煤柱， 回采煤 量 ２５ 万 ｔ ［３］ 。 １２５０２ 和 １２５０３ 辅助回撤通道煤柱计划 布置综采面回收， 与 １２４０４ 综采面形成刀把型工作 面进行回采， 即 １２４０４ － １ 面。 具体巷道布置方式 如下：
将 １２４０４ 主运巷带式运输机延伸， 作为 １２４０４－１ 综采面的主要运输巷； 将 １２５０２ 回风巷 １１３ｍ 扩帮改 造为 １２４０４－１ 切眼， 原巷道 ５ｍ 宽， 扩至 ７ ５ｍ； 由于 １２５０２ 和 １２５０３ 辅助回撤通道不在一条线上， 相差 １ ７ｍ， 所以将 １２５０３ 辅助回撤通道采空区侧扩帮 １ ４ｍ， 共 ３２３ｍ， 用作综采面的回风巷， 即 １２４０４－１ 回风巷， 如图 １ 所示。 １２４０４－１ 综采面工作面长度 １１３ｍ， 推进长度 ５４２ ５ｍ， 过空巷 １４３２ｍ， 推进至原 １２４０４－２ 切眼处加面。
图 １ １２４０４－１ 综采面巷道布置图（ｍ）
巷道揭露煤层厚度 ２ ２ ～ ２ ８ｍ， 平均 ２ ６ｍ。 已 有巷道未揭露断层等地质构造［４］ 。 煤层直接顶岩性 为中细砂岩， 厚度 １ ６ ～ ４ ５ｍ， 老顶岩性以中粗砂岩 为主， 厚度 ４ ４ ～ １１ ４ｍ。 上覆基岩厚度 １１５ ～ １３５ｍ， 松散层厚度 １０ ～ １５ｍ， 松散层不含水。 工作面回采 后有少量基岩孔隙裂隙水进入工作面， 根据该区域 已回采工作面预计本工作面正常涌水量 １０ｍ３ ／ ｈ， 最 大涌水量 ３０ｍ３ ／ ｈ。
２ 确定过空巷支护材料
２ １ 确定支护强度
根据 《矿山压力与岩层控制》 中对顶板压力的 估算方法［５］ ， 按照 ８ 倍采高的上覆岩层重量进行 估算。
Ｐ ＝ ９ ８ × ｈ × ｍ × ｒ （１）
式中， Ｐ 为支护强度， ＭＰａ； ｈ 为支护强度系 数， 取 ８； ｍ 为工作面采高， 取 ２ ８ ～ ３ ２； ｒ 为顶板 岩层容重， 取 ２ ５５ｋＮ ／ ｍ３ 。
经计算得到最大顶板压力估算值为 ０ ６１２ＭＰａ。
２ ２ 确定支护材料
根据常用矿山支护材料筛选出 ４ 种材料作为支护 空巷备选材料［６］ ， 分别为： 道木、 锚索、 单体支柱、 泵送支柱， 每种支护材料都有适用范围及优缺点， 现 分别描述每一种支护材料的支护形式与其优缺点。
１） 道木： 将数根道木堆积打设成道木垛进行支 护空巷。 优点： 过空巷时， 由于超前支承压力作用， 顶板发生下沉变形， 道木属于可变性量大的支护材 料， 能够在顶板下沉时， 给与顶板让压变形， 能够 释放部分支承压力， 进而能够很好地保证空巷的稳 定性， 不会发生冒顶事故。 缺点： 过空巷时， 道木 垛无法回收， 采煤机割煤时， 木材进入原煤， 同时 采煤机切割道木时， 道木垛会发生坍塌。 从而空巷 内支柱道木垛会影响煤质， 更无法保证道木垛支撑 的稳定性。
２） 锚索： 锚索支护空巷顶板。 优点： 锚索支护 成本低， 支护强度高， 施工速度快。 缺点： 目前乌 兰木伦煤矿使用最长锚索为 ８ｍ， ８ｍ 锚索正好为顶 板垮落高度， 因此选用 ８ｍ 锚索可能会在过空巷时发 生冒顶事故， 若选用更长的锚索进行支护， 锚索转 机扭矩不足， 无法施工深孔。
３） 单体液压支柱： 单体支护空巷顶板。 优点： 单体支柱支护空巷速度快， 单体能够泄液回缩， 起 到让压作用， 支护强度较高。 缺点： 打设空巷单体 支柱无动力源， 需要安设一台临时泵站。 过空巷时， 单体回收困难， 人工回收存在较大风险。 单体内的 乳化液对井下水质影响较大， 不利于环保。
４） 泵送支柱： 泵送支柱支护空巷顶板。 优点： 泵送支柱支护强度高， 具有一定变形量， 采煤机较 容易切割， 不用回收支护材料。 缺点： 空巷支护费 用高， 泵送支柱材料进入原煤影响煤质。
根据以上四种支柱材料的优缺点以及考虑过空 巷的安全型， 综合考虑选择 “泵送支柱＋补强锚索” 联合支护作为过空巷支护方式。
３ 确定空巷支护方案
３ １ 支护方式
空巷长度共计 １４３２ｍ。 其中正常段 ９７９ｍ， 超高 超宽段 ４５３ｍ； 平行于工作面空巷 ８５３ｍ， 垂直空巷 ５７９ｍ。 过空巷补强支护方式如下。
３ １ １ 巷道段支护方式
巷道宽度 ５ｍ， 高度 ２ ９ ～ ３ ２ｍ。 平行巷道采用 “Φ２２ ４ｍｍ×８０００ｍｍ 锚索＋４ ６ｍＷ 钢带＋泵送支柱” 支护方式， 垂直巷道采用 “Φ２２ ４ｍｍ×８０００ｍｍ 锚索＋ ４ ６ｍＷ 钢带” 支护方式。 每排布置 ３ 根锚索， 排距 １ ５ｍ。 泵送支柱直径 ７００ｍｍ， 巷道中部区域间排距 ２ ５ｍ×２ ５ｍ。 正常情况下两端头区域 ２５ｍ 范围内打设 一排支柱， 间距 ３ｍ； 两端头 ２５ｍ 范围内有联巷的区 域， 联巷靠端头侧打设 ３ 排支柱， 参数与中部区域一 样， 联巷内部距离巷帮 １ｍ 处在中间打设一根支柱。
３ １ ２ 机头段支护方式
１） 机头硐室宽度 ６ １ｍ， 平均高度 ４ ５ｍ。 巷道 超高段采用 “Φ２２ ４ｍｍ×８０００ｍｍ 锚索＋１１＃工字钢＋ 双层钢筋网做假顶” 支护方式， 每排布置 ３ 根吊挂 锚索， 排距 ０ ５ｍ， 假顶用道木进行充填。 巷道下部 ３ ２ｍ 采用泵送支柱支护方式， 泵送支柱支护直径 Φ７００ｍｍ， 中部区域间排距 ３ｍ×２ ５ｍ； 两端头区域 泵送支柱呈三花布置， 两端头 ２５ｍ 范围内有联巷的 区域， 联巷靠端头侧打设 ３ 排支柱， 参数与中部区 域一样， 联巷内部距离巷帮 １ｍ 处在中间打设一根支 柱； 两端头 ２５ｍ 范围内有三角煤柱或交叉点区域面 积较大的， 按照中部区域支柱参数进行打设。
２） 在原有锚索支护基础上， 按照 ４ 根 “ １ ５ｍ 锚索＋３ ６ｍ 和 ２ ３ｍ 的 Ｗ 钢带” 补强支护。
３ １ ３ 切眼支护方式
切眼采用 “ Φ２２ ４ｍｍ × ８０００ｍｍ 锚索＋ ５ｍ 长的 Ｗ 钢 带 ＋ 泵 送 支 柱” 支 护 方 式。 泵 送 支 柱 直 径 ７００ｍｍ， 间排距 ２ ５ｍ×２ ５ｍ， 两端头区域 ２５ｍ 范围 内间距 ３ｍ， 呈五花布置， 每个调车硐室口部施工 １ 根支柱。 在原有锚索支护基础上平行于切眼方向补 打两排锚索， 锚索间排距 ２ ２ｍ。
１） １２５０１ 绕道 １ 平行于工作面段： 在 １２５０１ 绕 道 １ 拐角处， 断面变大应力集中位置设计 ５ 个泵送 支柱［６］ ， 其他区域不施工支柱。 １２５０１ 绕道 １ 支护 方式如图 ２ 所示。
图 ２ １２５０１ 绕道 １ 支护方式示意图
２） １２５０２ 绕道 １、 ２： 设计 ２ 排泵送支柱， 间排 距为 ２ ５ｍ， 选取 Φ７００ｍｍ 支柱， 正帮侧距支柱中心 间距为 １ ２５ｍ， 副帮侧距支柱中心间距为 １ ２５ｍ。 两端头区域 ２５ｍ 范围内一排支柱， 间距 ３ｍ。 两端头 ２５ｍ 范围内有联巷的按照设计参数施工。 １２５０２ 绕道 １、 ２ 支护方式如图 ３ 所示。
图 ３ １２５０２ 绕道 １、 ２ 支护方式示意图
３） １２５０２、 １２５０３、 １２５０４ 主运巷机头： 设计 ２ 排泵送支柱， 非扩帮段正帮侧距支柱中心间距为 １ ２５ｍ， 副帮侧支柱间距为 １ ２５ｍ， 扩帮段正帮侧距 支柱中心间距为 １ ８ｍ， 副帮侧支柱间距为 １ ８ｍ， 选取 Φ７００ｍｍ 支柱， 支柱间排距为 ２ ５ｍ×３ｍ。 两端 头 ２５ｍ 范围内呈 ３ 花布置。 端头区域有三角煤柱或 交叉点面积大的按照设计参数施工。 １２５０２、 １２５０３、 １２５０４ 主运巷支护方式如图 ４ 所示。
图 ４ １２５０２、 １２５０３、 １２５０４ 主运巷支护方式示意图
４） １２４０４－２ 切眼段： 切眼宽度 ７ ２ｍ， 工作面过 该空巷时， 需要等待加面安装， 工作面等待时间约为 ４～ ５ｄ， 期间可能出现矿压显现剧烈的情况。 因此， 该处布置 ３ 排支柱， 确保安全生产， １２４０４－２ 切眼支护 方式如图 ５ 所示。 正帮侧距支柱中心间距为 １ １ｍ， 副 帮侧支柱间距为 １ １ｍ。 切眼调车硐室口部布置 １ 根泵 送支柱， 间距 ２ ５ｍ， 深入调车硐室口部 １ｍ。
图 ５ １２４０４－２ 切眼支护方式示意图
３ ２ 泵送支柱直径确定
冒落高度范围内顶板自重 ｍ 由式（２）计算［７］ ：
ｍ ＝ ５ × ｎ × Ｌ × ｗ × ｈ × ｒ × ｆ ＝ ４７８１ ２５ｋＮ （２）
式中， ｎ 为泵送支柱每排的数量， 取 ２； Ｌ 为泵 送支柱支护间距， 取 ５ ０ｍ； ｗ 为空巷巷道宽度， 取 ５ ０ｍ； ｈ 为锚索锚固长度， 取 ５ ０ｍ； ｒ 为岩石平均 比重， 取 ２ ５５ｔ ／ ｍ３ ； ｆ 为安全系数， 一般 １ ～ ２ ０， 取 １ ５。
当泵送支柱直径为 ７００ｍｍ、 高度 ２ ８ｍ 时， 其 提供的工作支撑力 Ｑ 由式（３）进行计算：
Ｑ ＝ πｄ ２ ｑ·ｆ ｓ ＝ ５ ２ × １０６Ｎ ＝ ５２００ｋＮ （３）
式中， ｄ 为泵送支柱半径， 取 ０ ３５ｍ； ｑ 为支柱 材料实验室强度， 取 １５×１０６Ｎ ／ ｍ２ ； ｆ ｓ 为支柱结构性 强度古氏系数， 取 ０ ９ ～ １ ０。
经 计 算 Ｑ ＝ ５２００ｋＮ， 大 于 顶 板 自 重 （ ｍ ＝ ４７８１ ２５ｋＮ） ， 因此， 直径为 ７００ｍｍ、 高度 ２ ８ｍ 的 泵送支柱提供的工作支撑力能够支撑冒落高度范围 内顶板自重。
４ 空巷泵送支柱施工工艺
４ １ 泵送支柱施工工艺顺序
泵送支柱施工工艺顺序［８］ ： ①施工地点安设螺杆 泵 １ 台， 水压不小于 ０ ８ＭＰａ， 流量不小于４０ｍ３ ／ ｈ， 电压 ６６０Ｖ； ②铺设注浆管路， 管路直径 ＤＮ２５ｍｍ； ③ 吊挂注浆充填袋， 并校正、 固定； ④向充填袋内 注浆 ４ ２ 。 空巷施工泵送支柱顺序 根据生产接续时间确定空巷施工泵送支柱顺序： ①先施工 １２５０３ 主运巷 ８ 联巷处空巷， 施工数量为 １０ 个支柱； ②再施工 １２４０４－２ 切眼， 施工数量为 １１７ 个 支柱； ③再施工 １２５０１ 绕道 １， 施工数量为 ５ 个支柱； ④再施工 １２５０２ 绕道 １， 施工数量为 ７３ 个支柱； ⑤再 施工 １２５０２ 主运巷， 施工数量为 ７７ 个支柱； ⑥再施工 １２５０３ 主运巷， 施工数量为 ８３ 个支柱； ⑦再施工 １２５０４ 主运巷， 施工数量为 ８４ 个支柱； ⑧最后施工 １２５０２ 绕道， 施工数量为 ７４ 个支柱。
４ ３ 泵送支柱施工材料
注浆材料采用 Ａ 材料为生石灰， Ｂ 材料采用高 岭土， 注浆材料由 Ａ、 Ｂ 两种组份按质量比 １ ∶ １ 的 比例组合而成。 该材料具备固化速度快、 早期强度 增长快、 凝固时间可调、 致密性好、 渗透性强、 不 收缩、 结实率高、 密封性能强等特性。
材料全部由无机矿粉组成， 完全阻燃， 运输、 仓储、 使用过程没有火灾隐患。 无机矿物材料不挥 发， 使用过程没有异味， 能够避免有毒气体对人体 的伤害。 材料消耗量小， 单位体积消耗量约 ２４０ｋｇ。
５ 结 论
１） 通过计算 １２４０４－１ 综采面顶板支护强度， 选 择合理的支护形式及支护材料， 并在空巷采用泵送 支柱进行了补强支护。 在空巷内施工泵送支柱， 通 过支柱能够将空巷顶板岩层部分自重传递至底板， 减轻空巷两帮支承压力， 同时减小空巷内顶板的挤 压应力， 能够避免空巷底板发生底鼓。
２） 综采工作面过空巷是煤矿生产现场经常面临 的实际难题， 应当结合现场实际地质条件， 科学合 理计算支护强度并选择支护方式。 同时还要考虑初 采期间直接顶能否及时垮落， 避免大面积悬顶。
参考文献：
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
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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，乾坤矿装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，乾坤矿装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。
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