刘锦荣
（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003）
摘 要 针对大同煤矿集团塔山矿特厚煤层综放面临空巷道超前段矿压显现强烈，采用木垛配合单体液压支 柱支护时，存在支护能力整体较弱、木垛支护工序繁锁等问题，研究开发了机械式恒阻单体支柱，对摩擦介质材 料、钢材材质进行了优选，设计了具有自动纠正偏心功能的高强度支柱顶底座，保证了机械式恒阻单体支柱的恒 定工作阻力达45t以上。现场应用表明，机械式恒阻单体支柱超前支护技术能有效减弱大跨度巷道应力集中分 布和大变形，大大增强了巷道围岩的稳定性，保证了工作面的安全高效生产。
关键词 特厚煤层；回采巷道；机械式；恒阻单体支柱；超前支护
塔山矿是同煤集团千万吨级矿井，设计生产能力 15.0 Mt/a，回采工作面采用特厚煤层综放生产，由于采 掘接替紧张，存在“对采对掘”问题，临空巷道受两次 采动压力影响，动压显现强烈，巷道变形大，尤其临空 巷道超前80 m范围，采用木垛配合单体液压支柱支护 时，存在支护能力整体较弱、木垛支护工序繁锁、单体 液压支柱易出现倾斜或弯曲变形支护失效等问题，因 而出现顶板下沉、两帮移近、底鼓严重的现象，维护困 难，严重影响工作面的安全高效开采。对回采巷道的 围岩进行控制，国内的研究成果较多【1-8】 ，但对具有顶 板支撑力强、支护稳定、使用简便和使用成本低的支 护装置及技术进行专题研究的还较少，已成为解决千 万吨特厚煤层综放面回采巷道超前支护区域围岩稳 定的关键。本文通过对机械式恒阻单体支柱支护技 术的开发，确定了更为可靠、稳妥和经济的动压巷道 超前支护方式。
1 塔山矿8110工作面现场生产地质条件
8110 工作面开采石炭系 3～5# 层，位于塔山矿一 盘区中部，东邻 8109 工作面，南与 1070 回风巷为界， 西为8111工作面未开拓，北至口泉铁路保护煤柱。上 覆二叠系山4# 层，层间距23 m～35 m；对应上覆为侏罗 系14# 层采空区，层间距290 m～320 m，侏罗系14# 层盖 山厚度为19 m～108 m，如图1所示。
图1 8110工作面回采巷道布置
8110 工作面煤厚 7.1 m～19.3 m/14.7 m，半亮型 煤，碎块状、块状、条带状结构，水平层理，煤层中含夹 矸 7～13 层，夹矸厚度 0.1 m～4.1 m/1.67 m，夹矸岩性 为灰黑色炭质泥岩、灰褐色高岭岩；直接顶主要为泥 岩、炭质泥岩、高岭质泥岩和铝质泥岩，厚度为4.2 m～ 25.4 m/12.3 m；基本顶为粗砂岩、含砾粗砂岩和砾岩， 厚度为 1.8 m～13.3 m/7.08 m；直接底主要为砂质泥 岩、细砂岩、粉砂岩，厚度为3.1 m～9.0 m/5.7 m。
5110 巷主要功能是回风、行人及运送设备和材 料，长度 1 972 m，矩形断面 5.4 m×3.7 m，锚杆+锚索+ 金属网支护，采用混凝土铺底。
以往临空巷超前支护采用单体支柱与木垛相结 合的方式，工作面超前80 m范围内，一般采用四排或五排支柱加 1 排木垛的支护方式。单体柱配合 0.8 m 长的π型金属顶梁进行支护，梁与巷道走向垂直，排距 0.8 m，柱距1.2 m；木垛与单体间的排距为0.8 m，如图 2所示。工作面超前80 m以外范围，现场根据实际情 况，在顶板下沉严重区段补支木垛。
图2 工作面超前80 m范围内单体与木垛支护布置示意图
2 机械式恒阻单体支柱的设计开发
2.1 机械式恒阻单体支柱结构组成和支护原理
针对千万吨特厚煤层综放回采巷道跨度大、动压 强度大、围岩变形大的典型特征，研究了机械式恒阻 单体支柱新型矿山支护装置，该装置具有支撑力强、 性能稳定、安全性好、使用简便、成本低和适用面广等 明显优点，其结构组成和技术原理如下。
机械式恒阻单体支柱如图3所示。该支柱由7部 分构件组成，包括：①柱筒、②柱杆、③轴承珠架、④底 座、⑤顶帽、⑥帽销和⑦筒盖。其工作原理如下：柱杆 插入柱筒中，通过轴承珠架固定，由于轴承珠的作用， 在未受轴向压力的情况下柱杆可向上拔升，但不能回 缩；当支柱的轴向压力达到其额定工作阻力时，轴承 珠架中的钢珠挤压柱筒和柱杆，使其金属晶体发生塑 性流动，柱杆恒阻下缩。
图3 机械式恒阻单体支柱结构
机械式恒阻单体支柱的作用原理是柱杆和柱筒 之间由钢珠卡住，当顶板对支柱的压力达到其额定工 作阻力时，钢珠压扎柱体接触面，使柱体接触面的金 属晶体发生塑性延展，即金属晶体重新排列并产生一 定的变形，而其变形量能使柱杆在柱筒中发生滑动 时，形成支柱恒阻回缩。由于金属材料在塑性阶段其 强度是恒定的，所以支柱受力后不会发生支护强度降 低或失效现象。
机械式恒阻单体支柱是利用柱杆和柱筒之间轴 承珠架中的钢珠对杆体接触面进行压轧使之接触面 发生变形来提供工作阻力，其工作阻力大小取决于轴 承珠架和钢管本身的材料性能，不受安装、环境等其 他外界因素的影响，并能充分利用柱筒和柱杆自身的 机械强度。 因此，机械式恒阻单体支柱具有如下特征：
（1）支撑力强。一般设计的产品工作阻力是柱筒 或柱杆机械强度的80%，因而支撑能力取决于选用钢 管的几何尺寸和材质。如需要，额定工作阻力可选配 到几百吨以上。
（2）支护稳定。该支柱由升柱器加载至设定的安 装初撑力后，随着被支护空间的相对移近，柱体轴力 会越来越大，直至达到额定工作阻力后柱杆恒阻回 缩，这是支柱的材料性能所决定的，不受其他外界因 素影响，因而安全可靠。
（3）使用简便。单支支柱的重量仅为相关液压支 柱的一半左右，由两人即可搬运和安装，比磨擦式金 属支柱、液压单体支柱以及木垛等都要简便和快捷。
（4）使用成本低。机械式恒阻单体支柱单支支撑 能力一般是液压单体支柱的 3 倍以上，是木垛的 5 倍 以上，而价格分别仅为他们的80%和10%左右，适用面 更广。
2.2 机械式恒阻单体支柱结构优化与性能研究
2.2.1 工作阻力的影响因素
1）提供支柱工作阻力的摩擦介质材料的选择 机械式支柱的杆体（活柱）在下缩过程中，主要依 靠杆体与外部缸体之间的摩擦介质材料来提供工作 阻力。因此，在试验初期曾尝试使用强度低的介质材 料以减少对支柱表面的破坏，以达到支柱能重复利用 的效果。在试验过程中，试验了 A3 钢片和低硬度 （160 HB~200 HB）的钢珠两种材料，根据试验结果，使 用A3钢片最大工作阻力仅为1.5 t，使用低硬度钢珠最 大工作阻力也只有9 t。因此，使用强度低的材料作为 摩擦介质虽可以减少对支柱表面的破坏，但是支柱的 工作阻力都偏低，远远不能满足矿上实际支护需要为了有效提高机械式支柱的工作阻力，摩擦介质 材料改为高硬度（62 HRC~64 HRC）的高碳铬钢珠。 通过试验发现，由于使用高硬度钢珠，钢珠下滑过程 中对缸体内壁产生切削，同时缸体产生径向变形，从 而大大提高了支柱的工作阻力。在单体支柱钢材材 质为普通 Q690 钢材时，工作阻力就可以达到 30 t 以 上。 2）支柱结构参数及钢材材质强度的选取 为了进一步提高支柱的工作阻力，将支柱的缸 体、缸体的壁厚及钢材材质强度进一步提高，将钢材 材质由 Q690 钢变为 27SiMn 钢，两种支柱的结构参数 及材质参数见表1。
表1 两种支柱的结构参数及材质参数
支柱材质强度及壁厚提高后，采用相同的高碳铬 钢珠，通过试验发现，支柱的恒定工作阻力可由原来 的30 t提高到45 t以上，见图4。
图4 支柱材质强度及壁厚提高后的载荷位移曲线
3）支柱顶底座结构对工作阻力的影响 支柱的顶底座初期均设计为平盘状结构，如图 5 （a）所示。通过试验发现，一般当支柱工作阻力大于 50 t以上时，支柱杆体会由于偏心导致弯曲，不能继续 下缩，如图5（b）所示。
图5 支柱顶底座为平盘结构时加载试验前后支柱变形
为了避免在较高的工作阻力下，支柱由于偏心而 导致杆体弯曲变形，分别设计了具有自动纠正偏心功 能的高强度支柱顶底座，如图6所示。底座与柱筒接 触面设计为碗状球面，可使柱筒围绕四周旋转而自动 调整轴向受力；顶帽通过帽销与柱杆相连，以防坠落， 同时顶帽与柱杆接触面也设计为碗状球面，可自动调 整轴向受力。使用具有纠正偏心功能的支柱顶底座 以后，支柱工作阻力达到50 t以上时，杆体不会产生弯 曲变形，杆体能一直下缩到最大压缩行程。
图6 支柱的自动纠偏顶底座
2.2.2 3 m高支护高度下支柱工作阻力测试试验
一般来讲，支柱支护高度越高，越容易因偏心而 产生弯曲变形，为此对支护高度达到3 m的支柱进行 了室内试验，高支柱压缩试验载荷-位移曲线如图7所 示。通过试验发现，经过结构优化的机械式高恒阻可 缩性单体支柱在总支护高度为3 m的情况下，支柱恒 定工作阻力可达45 t以上。
图7 3 m高支柱压缩试验载荷-位移曲线
3 机械式恒阻单体支柱超前支护技术应用
3.1现场支护方案与施工工艺
现场应用选在 8110 工作面的 5110 临空巷，支护 方案为采用型号为DJH4000/450 机械式恒阻单体支柱 代替木垛进行超前支护，在超前支护区域内靠近8110 工作面采煤侧帮布置一排机械式恒阻单体支柱，间距 为 800 mm，与 8110 工作面采煤侧帮的水平距离为 1000 mm，见图8所示，相邻的机械式恒阻单体支柱采 用防倒拉杆连接。
图8 5110 巷道机械式恒阻单体支柱支护方案
施工工艺：①将机械式单体支柱的杆体和缸体平 放，先将5 mm钢珠支架套至距杆体标记（60 cm）上方 约 5 cm 处，然后再将 4 mm 钢珠支架套至杆体标记 处。将杆体插入缸体内直至杆体不能继续下移；②将 支柱慢慢竖起，竖起过程中不可拉拔杆体和缸体；③ 将π型顶梁与支柱顶座用防坠装置连接好，单体与顶 板接实前放置道木，然后利用升柱器将杆体升起与顶 板接实。然后将4 mm钢珠支架放置于合适位置，用楔 形环将其压紧并且使钢珠支架处于同一水平面上。 然后移动5 mm钢珠支架至合适位置，同样将其压紧并 且使之处于同一水平面上；④两根单根支柱安装好 后，将支柱间用防倒装置固定好。
3.2现场应用效果
8110 工作面回采期间的现场实测表明，采用机械 式恒阻单体支柱超前支护后，5110回风巷顶板和两帮 最大移近量分别为663 mm 和428 mm，较采用木垛与 液压单体支柱超前支护方式时的最大值1 578 mm 和 2 538 mm，减小了72.22%和73.87%，且深部和浅部最 大离层值分别仅为83 mm 和56 mm，取得了良好的支 护效果，保障了特厚煤层综放的安全高效开采。现场 应用效果见图9。
图9 机械式恒阻单体支柱现场应用图
4 结论
1）塔山矿临空巷道超前支护采用木垛配合单体 液压支柱支护时，存在支护能力整体较弱、木垛支护 工序繁锁等问题，巷道超前段维护困难，严重影响工 作面的安全高效开采。
2）机械式恒阻单体支柱具有支撑力强、性能稳 定、安全性好、使用简便、成本低和适用面广的优点。
3）摩擦介质材料采用高硬度（62-64HRC）的高碳 铬钢珠、钢材材质采用27SiMn钢、采用自动纠正偏心 功能的高强度支柱顶底座，可保证机械式恒阻单体支 柱的恒定工作阻力达45t以上。
4）实践表明，机械式恒阻单体支柱超前支护技术 能有效减弱大跨度巷道应力集中分布和大变形，大大 增强了巷道围岩的稳定性。
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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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