高俊虎
（山西焦煤霍州煤电集团吕临能化有限公司 庞庞塔煤矿，山西 吕梁 ０３３２００）
摘 要：大 倾角煤层巷道存在顶帮应力环境复杂、巷道非对称变形、底鼓严重等现象。以庞庞塔煤矿 ５１０８１巷为工程背景，提出了主被动联合控制原则，具体包括：高强及时主动支护原则、主被动联合提 高强度原则、局部加强协同支护原则，设计了机械式高强恒阻支柱，开发了大倾角煤层巷道主被动联 合支护技术。该技术以“高强锚杆（索）＋高强恒阻支柱”为核心，通过高强锚杆（索）形成强主动承载 结构，联合高强恒阻支柱协调巷道变形，从而实现巷道围岩的稳定控制。技术应用后，监测了巷道变 形、锚杆受力、支柱变形等情况，结果证明了庞庞塔煤矿大倾角煤层巷道主被动联合支护技术的优越 性和可靠性，为类似条件巷道支护提供了参考，也丰富了巷道围岩控制理论。
关键词：大倾角煤层巷道；主被动联合支护技术；锚杆（索）支护；高强恒阻支柱；矿压监测
０ 引言
长期以来，煤炭一直是我国的主要消费能源，虽 然目前国家能源结构调整，在能源消费结构中煤炭 占比有所减小，但在未来相当长的一段时间内其消 费地位不会改变［１３］ 。随着煤矿开采强度的增加，地质赋存较好的煤炭资源逐渐开采，大倾角煤层开采 逐渐引起重视，有关资料显示，我国煤矿中大倾角煤 层占据 １７％左右［４５］ 。在煤矿井工开采过程中需要 掘进大量的巷道，其中 ７０％ ～８０％的巷道属于回采 巷道，在大倾角煤矿中回采巷道所占的比例更 高［６７］ 。而回采巷道围岩稳定是煤矿高效开采的前 提，由于煤层倾角的存在，大倾角煤层变形破坏特征 和机理与水平巷道相差甚多［８１０］ 。该类巷道其顶帮 应力环境复杂，巷道非对称变形明显，尤其当顶底板 岩层强度与煤层强度相差较大时，岩层极易沿层理 方法产生大变形现象且底鼓现象严重，直接影响到 矿井安全高效生产［１１１４］ 。
针对大倾角煤层巷道围岩控制难题，国内外专 家学者进行了大量研究［１５１８］ 。如刘少伟等［１９］ 推导 了巷道上帮稳定性安全系数计算公式；勾攀峰等［２０］ 建立了大倾角三角形结构体力学模型，提出了不同 失稳条件下顶板稳定判别准则；姜耀东等［２１］ 研究了 大倾角煤层巷道不同类型底鼓特征及影响因素。本 文以庞庞塔煤矿 ５１０８１巷非对称变形和底鼓问题 为工程背景，提出主被动联合控制原则与支护技术， 设计机械式高强恒阻支柱，为解决庞庞塔煤矿大倾 角煤层巷道围岩大变形现象提供技术支持，具有重 要的研究意义。
１ 工程概况
庞庞塔煤矿 ５１０８工作面位于 ５号煤层一采 区，其北部为太佳高速公路保护煤柱，南部为工业场 地保护煤柱，东部为 ５１０６工作面（未采），西部尚未 布置工作面，采掘工程平面如图 １所示。
图 １ 庞庞塔煤矿 ５１０８工作面采掘工程平面
Ｆｉｇ１ Ｍｉｎｉｎｇｐｌａｎｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ５１０８ｏｆ ＰａｎｇｐａｎｇｔａＣｏａｌＭｉｎｅ
工作面煤层倾角较大（２５°～３４°），属大倾角煤 层，煤层平均厚度 ６．１ｍ，含 ２层泥岩夹矸，夹矸厚 度约 １．３ｍ，煤层厚度变化较小，属较稳定煤层。煤 层直接顶为厚 ２．３５ｍ的中粒砂岩，基本顶为厚 ５．０ ｍ的砂质泥岩，直接底为厚 ４．１２ｍ的砂质泥岩，基 本底为 ４．０ｍ厚的 Ｋ３ 砂岩。５１０８１巷为 ５１０８工 作面运输平巷，巷道断面设计为梯形断面，顶板倾角 设计 ３０°，巷道宽度、高帮、低帮分别设计为 ５．０、４．９ 和 ２．０ｍ。现场调研发现，矿井类似大倾角煤层巷 道在工作面回采期间，巷道底鼓剧烈，最高达 １．４ ｍ，同时巷道高帮顶角位置变形严重，直接影响到工 作面安全高效回采，急需进行庞庞塔煤矿大倾角煤 层巷道围岩控制技术的研究。
２ 主被动联合控制原则与支护技术
基于庞庞塔煤矿 ５１０８工作面生产地质条件， 提出庞庞塔煤矿大倾角煤层巷道主被动联合控制原 则与支护技术。
２．１ 主被动联合支护控制原则
（１）高强及时主动支护原则。巷道掘出后，及 时施工高预紧力、高强度锚杆（索）支护，及时形成 主动承载结构，避免新掘巷道围岩变形破碎严重，后 期无法有效形成整体结构。
（２）主被动联合支护提高强度原则。利用高预 紧力、高强度锚杆（索）支护形成的主动承载结构， 配合单体支护等材料针对性抑制或改善大倾角非对 称性高应力环境，进一步控制巷道变形。
（３）局部加强协同支护原则。针对大倾角煤层 巷道易破坏区域进行局加强支护，协调围岩变形，促 使主动支护与被动支护形成协同支护，共同约束围 岩碎胀特性。
２．２ 主被动联合支护技术
（１）主动支护技术参数。主动支护采用锚网索 支护方式，顶板锚杆采用 ２２ｍｍ×２４００ｍｍ的左 旋螺纹钢高强锚杆，垂直于顶板施工，间排距 ８００ ｍｍ×８００ｍｍ，同时采用锚索进行加强支护。锚索 为规格 ２１．８ｍｍ×８３００ｍｍ的钢绞线制作而成， 间排距为 １６００ｍｍ×１０００ｍｍ，其中靠近高帮的 １ 根锚索竖直向上施工，其余 ２根垂直于顶板施工，锚 索预紧力不低于 １００ｋＮ。帮部采用 ２０ｍｍ×２０００ ｍｍ的左旋螺纹钢高强锚杆，高帮处靠近顶板的 ２ 根锚杆与水平呈 ３０°向上施工，低帮处靠近顶板的 １ 根锚杆与水平呈 ３０°向上施工，高、低帮靠近底板的 １根锚杆与水平呈 ３０°向下施工，间排距 ８００ｍｍ× ８００ｍｍ。锚杆锚固长度不低于 １．０ｍ，配合使用１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×１０ｍｍ的蝶形托盘；锚索锚固长 度不低于 ２．０ｍ，锚索配套 ３００ｍｍ×３００ｍｍ×１４ ｍｍ的蝶形托盘和专用锁具，锚索配套 Ｗ 型钢带增 强护表面积；钢筋网采用 ６．５ｍｍ钢筋焊接而成， 网径 １００ｍｍ×１００ｍｍ，网与网搭接宽度不低于 ２００ ｍｍ。具体支护参数如图 ２所示。
图 ２ 主被动支护联合支护技术参数
Ｆｉｇ２ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｍａｉｎｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄｓｕｐｐｏｒｔ
（２）被动支护技术参数。设计采用机械式高强 恒阻支柱实现被动加强支护，机械式高强恒阻支柱 设计图和实物如图 ３所示。该支柱由柱筒、柱杆、轴 承珠架、底座、顶帽、帽销和筒盖等结构组成。机械 式高强恒阻支柱工作原理：轴承珠架内设置钢珠，将 柱杆固定于柱筒中，未受轴力时，柱杆可单向向上移 动，当轴力达到额定阻力时，钢珠挤压柱筒、柱杆，使 其恒阻下降；此外，顶帽与柱杆碗状球面接触，可以 自动调整轴力方向。具体支护技术参数：巷道掘进 时，在其梯形上隅角预留三角顶煤，顶煤长度为 ０５ ｍ，每排设置 １根额定工作阻力为 ４００ｋＮ的机械式 高强恒阻支柱，排距 １６ｍ，采用铰接 Π型钢梁方式 接顶。
３ 主被动联合支护技术的现场试验
主被动联合支护技术在庞庞塔煤矿 ５１０８１巷 进行了现场应用，对巷道变形、锚杆受力、支柱变形 等情况进行了现场监测。
图 ３ 机械式高强恒阻支柱设计图和实物
Ｆｉｇ３ Ｄｅｓｉｇｎｄｒａｗｉｎｇａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｄｒａｗｉｎｇｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｒｏｐ
３．１ 矿压监测方法
巷道变形采用十字监测法，即在巷道同一断面 的顶、帮、底中点设置基点，如图 ４所示，采用卷尺 ＋ 细绳监测巷道变形情况，每天观测 １次。采用锚杆 无损检测技术监测锚杆轴向力，每 ５ｍ布置 １个监 测点，以梯形巷道高帮中点位置的锚杆为例进行监 测。同时，每 ２０ｍ现场实测机械式高强恒阻支柱的 径向变形及其工作阻力。
图 ４ 十字监测法监测巷道变形
Ｆｉｇ４ Ｃｒｏｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｍｏｎｉｔｏｒ ｒｏａｄｗａｙｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
３．２ 矿压监测结果
图 ５给出了工作面回采期间 ５１０８１巷变形量 监测曲线。由图 ５可知，超前工作面采动影响范围 约 １００ｍ，超前工作面 ５０ｍ后巷道变形速度加快， 随着工作面的不断推进，巷道变形量不断增加，且巷 道主要变形发生在底板。巷道顶板最大下沉量约４２０ｍｍ，两帮最大变形量约为 ２１０ｍｍ，超前工作面 １０ｍ范围内，底板变形量超过了 ８００ｍｍ。现场调 研发现，同比邻近类似生产地质条件巷道，机械式高 强恒阻支柱有效改善了梯形巷道上隅角岩层的变形 破坏，加强了巷道易破坏区域，同比变形量降低了 ４０％以上，表明了主被动联合支护技术的优越性和 可靠性。
图 ５ 巷道变形量监测曲线
Ｆｉｇ５ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｒｏａｄｗａｙｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
图 ６给出了工作面回采期间 ５１０８１巷高帮中 点处锚杆轴向力与超前工作面距离关系（共取 ５条 测点轴向力曲线）。由图 ６可知，超前工作面 ０～５０ ｍ范围内出现轴向力峰值点，该范围内锚杆轴向力 变化较为明显，且 ５条轴向力曲线变化趋势一致性 较好。锚杆轴向力变化曲线表明，采动影响范围内， 随着超前工作面距离的不断减小，锚杆轴向力呈现 先增加后减小的趋势。轴向力增加表明围岩处于支 承应力增高区域，当支承应力超过煤体本身强度时， 煤体破碎，锚杆轴向力衰减，该范围处于采动影响明 显区域，而超前工作面 ５０ｍ范围外，锚杆轴向力变 化较小，此范围受工作面采动影响较小。
图 ６ 锚杆轴向力与超前工作面距离关系
Ｆｉｇ６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ ｏｆａｘｉａｌｆｏｒｃｅｏｆｂｏｌｔａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｌｅａｄｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ
现场实测发现，超前工作面 ４０、１００ｍ处，机械 式高强恒阻支柱出现了径向膨胀现象，支柱已达到 设计的最大工作阻力，表明机械式高强恒阻支柱设 计的合理性。
综上所述，主被动联合支护技术在庞庞塔煤矿 ５１０８１巷进行现场应用后，巷道围岩变形得到有效 控制，机械式高强恒阻支柱得到了充分应用，锚杆受 力在可控范围内，表明了大倾角煤层巷道主被动联 合支护技术的优越性和可靠性。
４ 结论
（１）以庞庞塔煤矿 ５１０８１巷为工程背景，提出 了主被动联合控制原则，包括高强及时主动支护原 则、主被动联合提高强度原则、局部加强协同支护原 则，设计了机械式高强恒阻支柱，开发了大倾角煤层 巷道主被动联合支护技术。该技术的核心原理为高 强锚杆（索）形成主动承载结构，联合高强恒阻支柱 协调巷道变形，从而实现巷道围岩的稳定控制。
（２）大倾角煤层巷道主被动联合支护技术进行 了现场试验，监测了矿压显现规律：超前工作面采动 影响范围为 １００ｍ，超前工作面 ５０ｍ范围内巷道围 岩处于强采动影响阶段。矿压监测结果显示，巷道 围岩变形得到有效控制，机械式高强恒阻支柱得到 了充分应用，锚杆受力在可控范围内，表明了大倾角 煤层巷道主被动联合支护技术的优越性和可靠性。
参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：
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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。
【联 系 人】：苏女士
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