闫鹏佳，薛雄飞
（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 ７１９０００）
摘 要：陕北榆神地区回采巷道多采用双巷掘进方式，导致需要保留的巷道将受到工作面重复开采 扰动影响，造成巷道在二次回采扰动下围岩压力剧增，严重者发生片帮冒顶事故。针对杭来湾煤矿 ３０１１０综采工作面回风顺槽超前段在二次回采扰动下巷道变形严重问题，采用“注浆－单体－超前 液压支架－木垛”联合支护技术代替原来双排单体支柱支护方式对该巷道进行顶帮控制，并对联合 支护效果进行评价。现场实践表明，联合支护提高了巷道整体稳定性，巷道两帮下沉 量、顶板下沉量及支架载荷显著降低，保障了工作面安全生产。
关键词：重复开采扰动；围岩压力；单体支柱；联合支护
０ 引言
陕北榆神矿区地下煤炭资源储量丰富，煤层埋 藏浅，地质条件简单，随着机械化水平不断提高和采 煤方法不断完善，大尺度、高强度、快速开采已经成 为该地区煤矿的主要发展方向［１－２］ ，这势必会造成 采掘接续紧张局面，因此回采巷道多采用双巷掘进 方式，这必然导致部分需要保留的回采巷道受到重 复采动影响，矿压显现剧烈，巷道变形严重，不仅维 护难度大，而且制约回采工作面安全生产［３－４］ 。
我国广大煤炭科技工作者在回采巷道顶板控制 方面做了大量研究。例如，张红［５］针对回坡底煤矿 复合顶板支护难题，根据试样 Ｘ射线衍射图谱及扫 描电镜图，提出了巷道“锚－网－喷”联合支护体系， 有效改善了原先巷道顶板不易控制的难题。黄超慧 等［６］ 采用锚网索喷 ＋注浆加固技术对平煤股份九 矿己１６－１７－２２０５０机巷破碎顶板进行控制，该方法有 效防止冒顶事故的发生。张世豪等［７－８］ 针对长平煤 业公司大采高工作面机尾巷道超前支护与上隅角三 角区端头支护存在的问题，提出了超前支护液压支架和端头液压支架联合支护，取得了良好的运用效 果。虽然井巷支护技术已经发展的很成熟，但是基 于“注浆－液压支架－单体支柱－木垛”联合支护方 式，却很少在研究中提及。因此，研究这种联合支护 技术的应用效果具有很大意义。
１ 工程概况及回风顺槽变形原因。
１．１ 工程背景
１．１．１ 煤层概况
杭来湾煤矿 ３０１１０工作面位于杭来湾煤矿首采 盘区，在井田偏北部，工作面沿煤层倾向布置，工作 面长度为 ２９９．１ｍ，推进长度为 ３９９３．３ｍ。煤层平 均厚度 ８．５ｍ。煤层底板标高 ＋１０４９～＋１０１６ｍ， 全工作面呈倾角 ０．４°～０．９°，俯采推进，首采 ３号煤 平均埋深 ２１７ｍ，上覆基岩平均厚度 １６２ｍ，松散层 平均厚度 ４２ｍ。该 ３号煤层层位稳定，结构简单， 厚度变化小。
１．１．２ 工作面布置
３０１１０工作面为左工作面，布置有辅运顺槽、胶 运顺槽及回风顺槽，分别担任工作面辅助运输、主运 输及回风任务，如图 １所示。工作面采用分层大采 高后退式开采方法，全部垮落式处理采空区，回风顺 槽断面尺寸为 ５．４ｍ×４ｍ（宽 ×高）。
图 １ 综采工作面布置方式
Ｆｉｇ．１ Ｌａｙｏｕｔｏｆｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ
１．１．３ 回风顺槽变形及支护方式
回风顺槽回采煤壁侧采用聚酯纤维网、玻璃钢 锚杆支护，煤柱侧采用金属网、金属锚杆支护及锚索 钢带联合支护，顶板采用锚杆、金属网片、锚索联合 支护，具体支护方式如图 ２所示。综采工作面回采 至 ６５联巷附近时，回风顺槽顶板出现下沉现象，巷 道围岩压力剧增，煤壁松动变形，帮鼓严重，多根帮 部补强钢带、锚索出现断裂，给工作面正常回采带来 了严重影响
图 ２ 巷道变形情况及支护方式
Ｆｉｇ．２ Ｒｏａｄｗａｙｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｍｏｄｅ
１．２ 回风顺槽变形原因分析
影响综采工作面巷道变形的因素较多，如地质 构造、采动影响、工作面区段煤柱宽度、支护方式不 合理、施工质量不高和区域应力集中等［９－１０］ 。经综 合分析，认为 ３０１１０工作面回风顺槽变形主要因素 有多次采动影响、支承压力相互叠加影响、支护方式 不合理的影响，其中，支护方式影响主要是由于采动 影响及应力相互叠加，导致回风顺槽超前支护方式 需根据矿压显现情况适当调整优化，否则不利于巷 道稳定。
１．２．１ 多次采动影响
松动圈理论认为，在同一水平，同一岩层受采动 影响后围岩松动圈会明显增大。巷道围岩变形量主 要发生在回采影响期间，掘进引起的巷道围岩变形量只占总变形量的 １５％左右。多数条件下回采影 响阶段的围岩变形量占总移近量的 ６０％以上，巷道 围岩压力越大，围岩变形量就越大，巷道就越难维 护。３０１１０工作面回风顺槽受巷道掘进、３０１０９及 ３０１１０工作面多次回采扰动影响，巷道周边和深部 都处于 ３０１０９工作面采空区侧向支承压力及 ３０１１０ 回采超前支承压力下，产生大范围的塑性变形和严 重破坏，数值模拟结果如图 ３所示。当 ３０１０９工作 面采空时，回风顺槽煤柱侧塑性区深度为 ２ｍ，当 ３０１１０工作面回采时，回风顺槽煤柱侧塑性区深度 为 ４ｍ，锚杆或补强锚索只有大于 ４ｍ才能保证锚 固在稳定层位
图 ３ 巷道塑性变形特征
Ｆｉｇ．３ Ｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏａｄｗａｙ
１．２．２ 支承压力叠加影响
对于 ２个相邻布置的工作面，随着开采区域不 断增加，上覆岩层压力随之增大，３０１０９工作面侧向 支承压力与 ３０１１０工作面侧向支承压力会在某些位 置相互叠加，在两工作面采空区内，两采空区上覆岩 层重量均有一部分转移到中间煤柱，留设的煤柱上 形成侧向支承压力叠加，将促使煤柱进一步破坏。 数值模拟结果如图 ４所示。当 ３０１０９工作面采空 时，回风顺槽煤柱侧应力为 ２５ＭＰａ，当 ３０１１０工作 面采空时，回风顺槽煤柱侧最大应力达到７０ＭＰａ， 此时应力叠加效应明显。
图 ４ 巷道应力变化特征
Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｅｓｓｖａｒｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏａｄｗａｙ
２ 回风顺槽顶帮联合支护技术
２．１ 煤壁超前注浆加固技术
注浆加固材料选用巴斯夫浩珂公司生产的马丽 散 ＮＳ，其具有无毒性、渗透性高、反应时间短，固化 后强度高等优点，被广泛应用于煤矿采掘工作面加 固，过断层、破碎带超前加固和煤柱加固［９－１０］ 。采 用 ＺＱＢＳ－８．４／１２．５气动注浆泵在高压推挤下将 Ａ、 Ｂ组注浆料注入煤岩体，渗透到裂隙和空隙中并发 生固化，与煤岩体产生高度粘合，可承受矿压的长期 作用。
２．１．１ 确定注浆孔距
现场注浆钻孔一般采用三角形布置方式，采用 试注测定法与经验公式法相结合的方法，确定马丽 散 ＮＳ注浆材料在煤体中的渗流半径。试注测法通 常是指在 １．５～２．０ＭＰａ注浆压力下，试着进行几个 注浆孔的注浆试验来选择合理钻孔间距，其只要受 煤体裂隙发育程度及围岩压力影响。图 ５不重复注 浆时，Ｌ＝２ｒ（ｒ为浆液扩散半径），重复注浆时，Ｌ＝２ｒ －ａ。每个注水孔周围约 ｒ／２的区域为充分注浆范 围，剩下 ｒ／２的范围则需要进行重复注浆，所以 ａ＝ ｒ／２，即注浆孔间距 Ｌ＝３ｒ／２。借助经验公式，计算出 浆液扩散半径 ｒ。
Ｑ＝πｒ２ ｈｎα（１＋β） （１）
式中，Ｑ为按照单孔注浆量不超过 １０００ｋｇ，取最大 值 ０．６７ｍ３ ；ｈ为导管长度，取 ４ｍ；ｎ为煤层孔隙率， 根据杭来湾井田地勘报告，取 ３％；α为注浆孔隙充 填率，一般在 ０．７～０．９，取值 ０．９；β为浆液损失率， 取 １０％。利用式（１）可得浆液扩散 ｒ＝１．３４ｍ，注浆 孔间距 Ｌ＝２ｍ。
图 ５ 注浆区域示意
Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｇｒｏｕｔｉｎｇａｒｅａ
２．１．２ 注浆方式
在 ３０１１０回风顺槽超前工作面 １０ｍ每隔 ２ｍ 交替布置一个钻孔，第 １排钻孔距离底板 １ｍ，第 ２ 排钻孔距离顶板 １ｍ，钻孔直径 ４０ｍｍ，孔深 ４ｍ，钻 孔与顶底板及煤壁略带夹角，注浆压力 １．５ＭＰａ，现 场终止注浆以单孔注浆量达到 １０００ｋｇ或者浆液不 断渗出煤壁为标准。注浆时要注意观察注浆材料反 应情况及温度变化情况，注浆过程发现注浆眼及顶 帮端面出现浆液或者顶帮端面出现掉渣及片帮等异 常情况时立即停止注浆，观测不少于 １ｈ且无异常后 再注浆，若破碎程度或者破碎区域较大时可适当调 整注浆量及注浆孔距。
２．２ “单体 －液压支架 －木垛”联合支护技术
２．２．１ 原有支护方式
如图 ６所示，目前 ３０１１０回风顺槽采用双排 ＤＷ４５－２００／１１０Ｘ型单体液压支柱，间排距 １．５ｍ× ４ｍ，额定压力 ２８．３ＭＰａ，额定工作阻力 ２００ｋＮ， ２０ｍ超前支护范围工作阻力总共 ５６００ｋＮ，支护强 度低，支护面积小，个别单体使用过程中经常发生自 卸现象，且生产过程中经常性加柱、回柱，工人劳动 强度大安全隐患多。３０１１０回风顺槽在 ３０１０９工作 面采空区侧向支承压力与 ３０１１０工作面超前支承压 力共同作用下，巷道顶板出现缓慢下沉，两帮出现严 重变形破坏现象，因此亟需优化现有支护方式。
２．２．２ 优化后的支护方式
针对现有支护方式存在的缺陷，结合现场实践 经验，如图 ７所示，在回风顺槽超前工作面安装 ２台 ＺＴ５０００／２６／４６自移式液压支架与单体液压支柱联 合支护，其额定工作阻力能够达到 １２０００ｋＮ，有效 支护面积约 ４５ｍ２ ，支护长度 ２０ｍ，很好地解决了单体支柱反复支承顶板带来的弊端，避免单体支撑力 不足导致顶板来压对区段煤柱产生巨大压力，还可 以为工人回撤单体支柱营造安全的作业环境。此 外，由于回风顺槽原有联巷开口断面大，在超前支撑 压力及 ３０１０９采空区侧向支承压力下经常出现坍塌 现象，破坏了区段煤柱稳定性，严重时出现采空区积 水外泄现象，采用单体支柱支护时，支护强度低以及 支柱经常无法回收，遗失在采空区，造成一定的经济 损失，根据以往支护经验，木垛支护不仅支护强度大 而且经济实惠易于加工，在矿井小范围支护中被广 泛使用，因此在顶板周期性来压前期，在临近联巷补 打木垛加强联巷支护，木垛在联巷中的布置位置如 图 ８所示，木垛主要材料为 １２００ｍｍ×３００ｍｍ× ３００ｍｍ道木，采用“井字形”由底板向顶板堆积，木 垛与顶板接触部位用木楔塞紧。
６ 回风顺槽原有支护方式
Ｆｉｇ．６ Ｏｒｉｇｉｎａｌｓｕｐｐｏｒｔｍｏｄｅｏｆｒｅｔｕｒｎａｉｒｒｏａｄｗａｙ
图 ７ 优化后回风顺槽支护方式
Ｆｉｇ．７ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｕｐｐｏｒｔｍｏｄｅｏｆｒｅｔｕｒｎａｉｒｒｏａｄｗａｙ
３ 联合支护效果评价
３．１ 巷道变形监测分析
从图 ８中可知，随着综采工作面靠近监测点，巷 道两帮位移量出现缓慢增加趋势，距离工作面 ４０ｍ 时，单体支护的巷道位移量开始极速增加，距离工作 面 ７ｍ时趋于稳定，最大变形量 ３３２ｍｍ，采用联合 支护优化后巷道两帮位移量呈现缓慢增加趋势，在 距离工作面 １０ｍ时逐渐趋于稳定，最大变形量 ２０５ｍｍ，较优化前变形量降低了 ３８％。从图 ９中可 知，综采工作面距离监测点 ３８ｍ以外时，顶板未出 现离层下沉现象，随着综采工作面靠近监测点，单体 支护的巷道顶板下沉量大于联合支护顶板的下沉量，表现于优化前顶板下沉量曲线斜率大于优化后 的顶板下沉量曲线斜率，采用单体支护巷道顶板最 大下沉量 ８１ｍｍ，采用联合支护后顶板最大下沉量 为 ３０ｍｍ，优化后较优化前变形量降低了 ６３％。说 明“注浆－单体－超前支架－木垛”联合支护能够有 效控制巷道围岩变形，很好地起到控制围岩的效果。
图 ８ 巷道两帮收敛情况
Ｆｉｇ．８ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｏｆｔｗｏｓｉｄｅｓｏｆｒｏａｄｗａｙ
图 ９ 巷道顶板下沉情况
Ｆｉｇ．９ Ｒｏａｄｗａｙｒｏｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ
３．２ 支架载荷监测分析
从图 １０可知，随着回风顺槽超前支架靠近工作 面，其载荷呈现先极速上升后缓慢下降趋势，在距离 工作面 １０ｍ附近支架载荷达到峰值。优化前单体 平均载荷为 ２６．３ＭＰａ，最大载荷为 ２８．２ＭＰａ，采用 联合支护优化后平均载荷为 ２２．８ＭＰａ，较之前下降 了 １３．３％，最大载荷为 ２５．４ＭＰａ，降低了 １０％。
图 １０ 支架载荷变化情况
Ｆｉｇ．１０ Ｌｏａｄｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｐｏｒ
４ 结论
（１）３０１１０综采工作面回风顺槽变形破坏影响 因素主要有多次采动影响、支承压力相互叠加影响、 支护方式不合理影响。数值模拟表明，当 ３０１０９工 作面回采时，回风顺槽（上区段辅运顺槽）煤柱侧塑 性区深度为 ２ｍ，应力为 ２５ＭＰａ，当 ３０１１０工作面回 采时，回风顺槽煤柱侧塑性区深度增加到 ４ｍ，应力 增加到 ７０ＭＰａ。
（２）采用“注浆－单体－超前液压支架－木垛”联 合支护方式优化后，回风顺槽超前段巷道两帮位移 量由原来的 ３３２ｍｍ降低到 ２０５ｍｍ，变形量降低了 ３８％，顶板下沉量由原来的 ８１ｍｍ降低到 ３０ｍｍ， 变形量降低了 ６３％。
（３）采用联合支护方式优化后，单体平均载荷 较原来降低了 １３．３％，最大载荷较原来降低了 １０％。 参考文献： ［１］ 范立民，马雄德，李永红，等．西部高强度采煤区 矿山地质灾害现状与防控技术［Ｊ］．煤炭学报， ２０１７，４２（２）：２７６－２８５． ［２］ 范立民，张晓团，向茂西，等．浅埋煤层高强度开 采区地裂缝发育特征：以陕西榆神府矿区为例 ［Ｊ］．煤炭学报，２０１５，４０（６）：１４４２－１４４７． ［３］ 郭斌．东兴矿 ９４３０４工作面运输巷支护技术研究 ［Ｄ］．徐州：中国矿业大学，２０１９．
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［８］ 张世豪，程建祯，邢晋生．寺河煤矿顶板管理体系 的构建［Ｊ］．煤矿安全，２０１４，４５（７）：１７２－１７４．
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［１０］ 崔豪桐．松软煤层大断面盘区大巷注浆加固技术 ［Ｊ］．陕西煤炭，２０１９，３８（５）：１７４－１７６
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
【联 系 人】：苏女士
【联系电话】：18075188209
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，培新矿机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，培新矿机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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