杨 博 1，2 ，柴 敬 1，3 ，王民华 2
（1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.山西能源学院，山西 晋中 030600；3.教育部西部矿井开采与灾害防治 重点实验室，陕西 西安 710054）
摘 要：巷旁支护体成功切顶是直覆厚硬顶板沿空留巷成功的关键。通过建立沿空留巷上覆岩 层结构力学模型，分析了不同巷旁支护方式下顶板破断结构，得到了强力切顶支柱能够减小顶 板悬露长度；在上述研究的基础上，以某矿 10106 工作面沿空留巷为背景，采用数值模拟方法分 析了 2.4 m 和 3.0 m 充填体、强力切顶支柱巷旁支护时支护体的应力状态及巷道围岩变形特征， 得到了强力切顶支柱是具有高初撑力、高阻让压和恒定支护阻力的支护体，能够及时切顶,保证 留巷稳定。现场监测表明，强力切顶支柱能够保证较好的留巷效果，满足安全生产的需要。
关键词：直覆厚硬顶板；沿空留巷；巷旁支护；充填体；强力切顶支柱
沿空留巷是无煤柱开采的重要发展方向[1-4]。目 前，国内学者对坚硬顶板条件下沿空留巷做了大量 研究，宁建国[5]提出了坚硬顶板沿空留巷不等强充 填体“让-抗”支护方式，在此基础上，牟文强[6]提出 了坚硬顶板沿空留巷恒阻体与高强不可压缩体组成 巷旁支护体“恒阻让-抗”巷旁支护机理，实现对巷 道顶板“给定变形”和“限定变形”的有效控制。郭统 一[7]提出了在坚硬顶板条件下要采用高强度、快速 增阻、可缩性好的巷旁充填体等。目前许多煤矿针 对坚硬顶板采用预裂爆破切顶卸压或工作面后方 爆破放顶，其目的均为减小顶板岩层的悬露长度， 从而大大降低直接顶对巷道基本支护的压力[8-9]。
前人在坚硬顶板沿空留巷巷旁支护的研究主要 集中在基本顶为坚硬岩层，直覆厚硬顶板沿空留巷 巷旁支护为充填墙体[10-11]，而对无墙体巷旁支护的 研究甚少[12]。以某矿 10106 工作面为背景，采用理论 分析和数值模拟分析了 2.4 m 和 3.0 m 充填体、强 力切顶支柱巷旁支护时，支护体的应力状态及巷道 围岩变形特征，提出了直覆厚硬顶板沿空留巷巷旁 支护优先选用强力切顶支柱。
1 试验区工程地质条件
该矿 10106 工作面回采 10# 煤层顶板为石灰岩， 坚硬难冒落，f=7～8，平均厚度为 9.09 m，无直接顶； 煤层厚度为 1.6～3.8 m，平均厚 3.0 m，煤层埋深 230 m，煤层倾角 2°～7°，含 0～2 层夹矸，煤层完整性好， 普氏系数 f=2；底板为砂质泥岩，平均厚度为 3.5 m。
2 厚硬直覆顶板沿空留巷矿压特征分析
2.1 直覆厚硬顶板留巷应力特征分析
直覆厚硬顶板沿空留巷应力分布特征如图 1， 厚硬顶板强度高、厚度大、整体性强、节理发育差、 自承能力强，不同于普通留巷矿压（软弱直接顶、硬 顶厚度不大），工作面顶板的来压步距显著增大，块 体 B 长度增长。根据砌体梁理论，直覆厚硬顶板破 断可以形成稳定的砌体梁结构[13-14]。
图 1 直覆厚硬顶板沿空留巷应力分布特征
随着工作面推进，块体 B 在平行下沉和回转下 沉过程中向巷旁充填体施加压力，由于直接顶为厚 硬岩层，采空区无冒落矸石缓冲层，块体 B 的回转 角 θ 较大，必将逐步恶化留巷采空区侧的应力环境， 造成留巷围岩载荷增加，尤其是巷旁支护体上方长 时间作用的高支承压力[15]，致使充填体失稳破坏。
2.2 不同支护体顶板破断结构分析
巷旁充填支护体的切顶阻力很难使厚硬顶板沿 着充填体外边缘断裂，破断位置向煤体与顶板未发 生离层处转移，造成留巷顶板悬露长度增大，采空 区无冒落矸石，顶板回转角增大，导致充填体压缩量 增大。充填体巷旁支护采空侧顶板破断结构如图 2。
图 2 充填体巷旁支护采空侧顶板破断结构
针对厚硬顶板条件，采用巷旁无墙体强力切顶 支柱支护技术，可以很大程度上改善这种特殊应力 环境，强力切顶支柱可以将厚硬直接顶在支护体外 边缘切断，避免顶板在煤壁内侧断裂，影响切顶效 果，很大程度上减小了顶板悬露长度，上覆岩层载荷 减小，可以有效维护巷道稳定。切顶支柱巷旁支护 采空侧顶板破断结构如图 3。
图 3 切顶支柱巷旁支护采空侧顶板破断结构
为了进一步掌握强力切顶支柱支护优于充填体 支护，采用数值模拟计算方法，分别研究充填体宽度 为 2.4、3.0 m 和强力切顶支柱时留巷应力分布规律 及围岩变形规律。开采煤层顶底板岩层物理力学参 数见表 1。不同切顶支护体留巷应力分布及围岩变 形规律如图 4 和图 5。
表 1 煤层顶底板岩层物理力学参数
1）强力切顶支柱与 2.4、3.0 m 充填体相比，强力 切顶支柱的垂直应力最大，承载能力也最强。如图 4 （a）。不论采用何种巷旁支护方式，巷道顶板垂直应 力变化规律基本一致，在工作面后方 20 m 后支护 体载荷迅速增加。采用强力单体支柱支护时，滞后 工作面 20～40 m 为应力大幅升高，在此过程顶板应 力不断升高，40 m 之后升高幅度降低，但强力单体 支柱能够始终保持顶板的良好受力。
2）水平应力随工作面推进不断增加，直到工作 面推过 1 个来压步距左右开始平稳，且应力值与应 力增加值均比垂直应力大，如图 4（b）。这主要是由 于回采过程中采空区顶板回转对顶板产生的附加水 平推力所致，水平应力在工作面后方的影响距离为 0～42 m。强力切顶支柱支护情况下，顶板水平应力 最大，其原因为强力切顶支柱支撑阻力大，可以在支 护体外边缘切落顶板，使坚硬顶板回转变形减小，顶
图 5 不同切顶支护体留巷围岩变形规律
板离层随之减小，顶板较完整，水平应力的传递能力 增强。
3）对于巷道顶板来说，在工作面后方 5～40 m 范 围内，顶板下沉幅度最大，40 m 后强力切顶支柱顶 板下沉趋于稳定，而充填体支护顶板继续下沉，幅 度有所减小，如图 5（a）。因此，对 3 种巷旁支护方式 40 m 处下沉值进行比较，2.4 m 和 3.0 m 充填体、强 力单体支柱顶板下沉值分别为 361.8、328.2、225.0 mm，可以看出强力切顶支柱顶板下沉量减小，主要 原因是强力切顶支柱可以成功切落顶板，控制巷道 严重变形，同时强力支柱具有一定的可缩性，在强 大的顶板压力下，不损坏支柱。
4）对于巷道煤帮变形来说，不论采用何种巷内 切顶支护，煤帮变形均较大；煤帮变形主要发生在工 作面-40～10 m 之间，工作面后方 40 m 之后变形趋 于平缓，如图 5（b）。因此，对 3 种巷旁支护方式 40 m 处煤帮变形量进行比较，2.4 m 和 3.0 m 充填体、 强力单体支柱煤帮变形量分别为 400.0、368.8、 301.2 mm，可见，强力切顶支柱，通过对顶板的有效 控制，进而对煤帮变形也起到了较强的控制作用， 有利于巷道围岩的稳定。
根据上述对留巷应力分布特征及围岩变化规律 的分析，对于直覆厚硬顶板巷旁支护优先选用强力 单体支柱切顶，该支护体具有支撑能力强，能够及 时切顶，减小支护体所承受的顶板载荷；具有一定的 可缩性，对顶板能起到高阻让压的作用，不会压坏支 柱；具有恒定的支护阻力，对后期巷道有效控制起到 积极的作用。
3 矿压监测
3.1 巷道表面位移监测
选取 1 个典型测面，观测留巷期间巷道围岩变 形与工作面相对位置的关系（图 6）。
图 6 巷道表面位移监测曲线
由图 6 可以看出，巷道表面位移剧烈变形范围 为 5～60 m，60 m 后趋于稳定，与数值计算结果稍有偏差，两帮移近量为 279.5 mm，顶底板移近量为 270.2 mm，与数值计算结果相似，顶板移近量为 150.0 mm，底板移近量为 120.2 mm，顶底板变形主 要以下沉为主。
3.2 锚杆受力监测
通过对锚杆的受力监测，掌握留巷期间巷道的 稳定状况，在实体煤帮和顶板各选取 1 个典型测点 的锚杆受力与距工作面距离的关系如图 7。
图 7 锚杆受力监测曲线
由图 7 可知，在工作面后方 40 m 范围内，由于 受到本工作面回采的影响，锚杆受力迅速增大，顶 板锚杆最大受力为 140 kN，实体煤帮最大受力为 125 kN,40 m 后锚杆受力有所下降，在 80 m 后趋于 平衡，巷道处于稳定状态。
4 结 论
1）留巷稳定是巷内支护与巷旁支护共同作用的 结果，对于厚硬直覆顶板，巷旁切顶支护尤为重要， 直接影响直覆顶板在实体煤侧的断裂位置及巷旁支 护系统所承受的载荷，对留巷期间巷道稳定起着至 关重要的作用。
2）采用数值模拟计算和大量的现场监测，更加 验证了直覆厚硬顶板沿空留巷巷旁切顶支护优先选 用强力切顶支柱。
3）10106 工作面沿空留巷实测表明：在留巷工 作面后方 60 m，巷道两帮移近量为 279.5 mm，顶底 板移近量为 270.2 mm，说明强力切顶支柱能够在顶 板回转下沉及切顶过程中提供足够的工作阻力，可 为类似条件下沿空留巷提供技术参考。
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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