杨富强1 ，相啸宇1 ，张玉宝2 ，王成武1 ，张 巍2
( 1. 北京昊华能源股份有限公司，北京 102300; 2. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)
摘 要: 针对沿空留巷坚硬顶板条件，在传统巷旁密集单体支柱切顶支护的基础上，提出了 “锚索 + 单体液压支柱”巷旁主动强力切顶支护技术。巷旁先采用密集单体支柱支护，然后打锚 索支护，构成强力切顶结构，待采空区顶板垮落后，将密集支柱回出，支设新的一排柱距较大 的单体支柱。通过力学分析得到了巷旁单体支柱和实体煤的支护阻力大小，并对木城涧煤矿六 槽东四壁运输巷进行沿空留巷试验。围岩监测数据表明: 一次采动后沿空留巷顶底板移近量达 125mm，两帮移近量达到 52mm; 二次采动对顶底板及两帮的移近量影响较小，仅分别增加了 40mm、5mm。可见，采用 “锚索 + 单体液压支柱”巷旁支护对坚硬顶板沿空留巷的围岩稳定性 具有良好的控制作用。
关键词: 沿空留巷; 坚硬顶板; 巷旁锚索; 单体液压支柱; 现场试验
沿空留巷是将已采工作面后方的回采巷道用一定的方 法沿采空区保留下来，作为下一工作面的回采巷道［1］，是 煤矿开采技术的一项重大改革。坚硬顶板在煤层回采后在 采空区侧形成大面积顶板悬露，不易垮落，巷旁支护体受 顶板强压易发生严重变形而失稳，导致留巷围岩破碎严重， 支护控制难度大，对沿空留巷造成极大威胁。诸多学者对 坚硬顶板巷旁支护技术及支护机理进行了详细研究，成云 海［2］为了实现坚硬直接顶板条件下沿空巷旁柔性充填体承 载留巷，定量计算了覆岩运动对巷旁充填体的静载荷; 王 茂盛［3］结合坚硬顶板移动规律，采用顶板预裂爆破技术控制基本顶的回转和下沉变形，实现卸压作用; 宁建国［4］建 立了坚硬顶板沿空留巷巷旁支护力学模型，提出了不等强 充填体支护方式; 陈勇［5］将导向孔应用到厚层坚硬顶板切 顶卸压中，分析了导向孔作用机理，探究了参数选取对爆 破效果的影响; 谭云亮［6，7］提出了沿空留巷巷旁支护适应性 原理及巷旁软硬材料人工造墙复合支护技术。然而，目前 巷旁充填、预裂爆破等巷旁技术支护成本高、工序复杂， 难以保持切顶后顶板的完整性，严重制约了坚硬顶板条件 下沿空留巷的推广应用。
本文针对坚硬顶板沿空留巷条件，在传统巷旁密集单 体支柱切顶支护的基础上，采用巷旁 “锚索 + 单体支柱” 主动强力切顶支护技术，对木城涧煤矿六槽东四壁运输巷 进行现场试验，为同类条件下沿空留巷支护技术提供了借 鉴及实用价值。
1 “锚索 + 单体支柱”
巷旁支护技术 本文提出一种 “锚索 + 单体液压支柱”巷旁主动强力 切顶支护技术，如图 1 所示，其特征在于: 沿空留巷巷旁 首先采用密集单体液压支柱支护，在原有锚杆支护的基础 上，沿空留巷顶板开始打锚索支护，留巷采用单排锚索支 护，靠近采空区一侧锚索垂直顶板直接安装; 锚索打完达 到设计预应力，待采空区切顶直接顶垮落后，在密集单体 液压支柱里侧再打一排单体液压支柱，柱距适当增大，将 密集单体液压支柱从后往前陆续回出，补打的单体液压支 柱与安装的锚索组成巷旁主动支护体系。
“锚索 + 单体液压支柱”巷旁支护工艺流程具体施工步 骤如下:
1) 首先沿空留巷巷旁采用密集单体液压支柱支护，密 集单体液压支柱包括竖直单体液压支柱和倾斜单体液压支 柱，倾斜单体液压支柱与顶板间用铰接顶梁连接，使单体 液压支柱与巷道顶板更平稳接触，如图 1( a) 所示。
2) 在原有锚杆支护的基础上，沿空留巷顶板开始超前 打锚索支护，巷旁及煤帮采用单排锚索支护，托梁为工字 钢，靠近煤帮一侧锚索应沿着一定的倾斜角度安装，靠近 采空区一侧锚索垂直顶板直接安装，每根锚索安装 3 卷 K2350 型树脂锚固剂，如图 1( b) 所示。
3) 锚索打完达到设计预应力后，在密集单体液压支柱 里侧( 巷内) 再打一排竖直单体液压支柱，顶板破碎时柱距 可适当减小，挂铰接顶梁，顶板完整时柱距适当增大，打 单柱配防滑木垫板，里侧捆绑旧胶带或竹排挡矸，如图 1 ( c) 所示。
4) 将密集单体液压支柱从后往前陆续回出，补打的竖 直单体液压支柱与安装的锚索组成巷旁主动支护体系，如 图 1( d) 所示。
图 1 巷旁主动支护技术示意图
2 巷旁锚索、单柱支护力学作用
巷旁采用锚索、单体液压支柱联合支护，其支护示意 图如图 2 所示，分别计算巷旁单体支柱和实体煤的支护 阻力。
图 2 巷旁支护示意图
顶板初次破断阶段的巷旁支护阻力力学模型如图 3 所 示，考虑巷旁锚索的主动支护作用，Ps 为巷旁锚索提供的 支护力，巷道基本顶厚度为 mE，直接顶厚度为 mZ，巷道 高度为 h，实体煤壁距基本顶断裂线位置为 L0，巷旁支护 体中心距基本顶断裂线距离为 L1，基本顶岩梁长度为 L2。
图 3 初次破断阶段
由平衡原理推导巷旁支护体和实体煤的作用力 F1、Fc 分别为:
顶板二次破断阶段的巷旁支护阻力力学模型如图 4 所示。
图 4 二次破断阶段
二次破断阶段巷旁支护体和实体煤的作用力 F2、FCC分 别为:
通过上述力学分析可知，在坚硬顶板初次破断阶段，巷 旁锚索的存在提供了较大的支护阻力，在所需切顶力一定的 情况下，减小了巷旁密集柱的受力，避免了单柱压坏、钻地 等现象; 在坚硬顶板二次破断阶段，巷旁锚索将顶板岩层锚 固起来，提高了顶板的稳定性，减小了单柱受力及实体煤帮 的作用力，极大增强了沿空留巷围岩的自身承载能力。
3 沿空留巷现场实例
木城涧煤矿木坑 + 450m 水平西二石门六槽东四壁工作 面煤层结构简单，煤为半暗半亮型、颗粒状，赋存较稳定， 煤层底板含一条煤线，厚度 0. 05 ～ 0. 1m，顶板为坚硬顶 板，煤层平均厚度 1. 8m。煤层平均倾角 13°，煤层顶底板 情况见表 1。
表 1 煤层顶底板情况 顶板名称
东四壁运输巷为沿空留巷，巷道呈梯形，宽 3. 5m，采 空侧高 2. 5m，煤帮侧高 1. 5m，巷旁采用 “锚索 + 单体液 压支柱” 支 护 技 术，锚索锚固长度为 1. 5m，总 长 度 为 5. 0m，间排距为 2. 0m × 2. 2m，密集柱柱距为 0. 25m，点柱 柱距 为 1. 2m。同 时，对留巷的顶底板及两帮位移进行 监测。
3. 1 顶底板移近量
巷道顶底板移近量随工作面推进的变化情况如图 5 所 示。二次采动的测量值是绝对值，即在一次采动的基础上 继续记录，得其顶底板移近量随工作面推进的变化情况。 从图中可以看出: 一次采动中，随着工作面的推进，顶底板 移近量在不断增大，当工作面推进到距测点 － 10m 时，顶底 板移近量便趋于稳定，变化幅度较小，一次采动后沿空留巷 顶底板移近量达到125mm 左右; 二次采动对顶底板的移近量 影响较小，整体移近量达到 165mm，增加了 40mm。
图 5 顶底板移近量变化图
3. 2 两帮移近量
巷道两帮移近量随工作面推进的变化情况如图 6 所示。 从数据图表中可以看出，一次采动过程中，随着工作面推 进，两帮移近量逐渐增大，最终达到 52mm，趋于稳定，可 见一次采动对煤帮的破坏作用并不明显; 二次采动过程中， 两帮移近量变化很小，增加量只有 5mm。
通过以上监测数据分析可知，受坚硬顶板工作面回采 动压影响，巷旁支护体受力将出现不同程度的波动，但沿 空留巷锚索支护和点柱辅助支护都各自发挥着自己的作用，没有出现支护失效现象，宏观观察工作面沿空留巷整体效 果较好。随着工作面继续向前推进，距离试验区域距离将 越来越远，工作面回采动压影响将逐渐减弱，达到稳定状 态。进入二次采动期间后，围岩仍具有较强的稳定性，监 测数值没有较大的变化。
图 6 两帮移近量变化情况
4 结 论
1) 针对沿空留巷坚硬顶板条件，提出了 “锚索 + 单 体液压支柱”巷旁主动强力切顶支护技术。沿空留巷打完 锚索之后，在单体密集支柱没有回收之前，沿空留巷主要 支护还是密集支柱占主导地位，顶板压力处于平衡状态; 密集支柱回收之后，顶板失去支撑，平衡状态被打破，锚 索支护将取代单柱的主导支护地位，逐渐达到新的压力 平衡。
2) 在生产实践中，当无巷旁锚索超前支护时，巷旁支 护一般滞后工作面进行，造成了顶板沿巷道煤帮过早垮落， 导致煤帮抗弯曲力较小，通过力学作用分析，煤帮锚索可 以提高煤体的支护作用，减小顶板弯曲下沉量，为使顶板 在巷旁单柱处切顶起到了重要作用。因此，锚索支护可超 前工作面或在巷道掘进时就安装，避免了其他巷旁支护方 式滞后支护的缺点。
3) 通过对木城涧煤矿六槽东四壁运输巷进行沿空留 巷试验，随着工作面的推进，一次采动后沿空留巷顶底 板移近量达 125mm，二次采动对顶底板的移近量影响较 小，仅增加了 40mm，整体移近量达 到 165mm; 两 帮 移 近量一次采动后达到 52mm，二次采动过程中两帮移近 量变化小，增加量为 5mm，可见采用 “锚索 + 单体液压 支柱”巷旁支护对沿空留巷的围岩稳定性具有良好的控 制作用。
参考文献:
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［3］ 王茂盛，王 萌，都海龙． 厚层坚硬顶板工作面沿空留巷技 术 ［J］． 煤炭科学技术，2013，41( 6) : 42 － 45．
［4］ 宁建国，马鹏飞，刘学生，等． 坚硬顶板沿空留巷巷旁 “让 —抗” 支 护 机 理 ［J］． 采矿与安全工程学报，2013，30 ( 3) : 369 － 374．
［5］ 陈 勇，郝胜鹏，陈延涛，等． 带有导向孔的浅孔爆破在 留巷切顶卸压中的应用研究 ［J］． 采矿与安全工程学报， 2015，32( 2) : 253 － 259．
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［7］ Tan Y． L． ，Yu F． H． ， Ning J． G． ， et al． Design and construction of entry retaining wall along a gob side under hard roof stratum ［J］． International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2015，77: 115 － 121．
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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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