塔山礦特厚煤層綜放面大變形回采巷道超前支護(hù)新技術(shù)研究與應(yīng)用

劉錦榮

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）

塔山礦是同煤集團(tuán)千萬(wàn)噸級(jí)礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0 Mt∕a，回采工作面采用特厚煤層綜放生產(chǎn)，由于采掘接替緊張，存在“對(duì)采對(duì)掘”問(wèn)題，臨空巷道受兩次采動(dòng)壓力影響，動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道變形大，尤其臨空巷道超前80 m范圍，采用木垛配合單體液壓支柱支護(hù)時(shí)，存在支護(hù)能力整體較弱、木垛支護(hù)工序繁鎖、單體液壓支柱易出現(xiàn)傾斜或彎曲變形支護(hù)失效等問(wèn)題，因而出現(xiàn)頂板下沉、兩幫移近、底鼓嚴(yán)重的現(xiàn)象，維護(hù)困難，嚴(yán)重影響工作面的安全高效開(kāi)采。對(duì)回采巷道的圍巖進(jìn)行控制，國(guó)內(nèi)的研究成果較多【1-8】，但對(duì)具有頂板支撐力強(qiáng)、支護(hù)穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)便和使用成本低的支護(hù)裝置及技術(shù)進(jìn)行專(zhuān)題研究的還較少，已成為解決千萬(wàn)噸特厚煤層綜放面回采巷道超前支護(hù)區(qū)域圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文通過(guò)對(duì)機(jī)械式恒阻單體支柱支護(hù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，確定了更為可靠、穩(wěn)妥和經(jīng)濟(jì)的動(dòng)壓巷道超前支護(hù)方式。

1 塔山礦8110工作面現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)地質(zhì)條件

8110工作面開(kāi)采石炭系3～5#層，位于塔山礦一盤(pán)區(qū)中部，東鄰8109工作面，南與1070回風(fēng)巷為界，西為8111工作面未開(kāi)拓，北至口泉鐵路保護(hù)煤柱。上覆二疊系山4#層，層間距23 m～35 m；對(duì)應(yīng)上覆為侏羅系14#層采空區(qū)，層間距290 m～320 m，侏羅系14#層蓋山厚度為19 m～108 m，如圖1所示。

圖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，碎塊狀、塊狀、條帶狀結(jié)構(gòu)，水平層理，煤層中含夾矸7～13層，夾矸厚度0.1 m～4.1 m∕1.67 m，夾矸巖性為灰黑色炭質(zhì)泥巖、灰褐色高嶺巖；直接頂主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖，厚度為4.2 m～25.4 m∕12.3 m；基本頂為粗砂巖、含礫粗砂巖和礫巖，厚度為1.8 m～13.3 m∕7.08 m；直接底主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，厚度為3.1 m～9.0 m∕5.7 m。

5110巷主要功能是回風(fēng)、行人及運(yùn)送設(shè)備和材料，長(zhǎng)度1 972 m，矩形斷面5.4 m×3.7 m，錨桿+錨索+金屬網(wǎng)支護(hù)，采用混凝土鋪底。

以往臨空巷超前支護(hù)采用單體支柱與木垛相結(jié)合的方式，工作面超前80 m范圍內(nèi)，一般采用四排或五排支柱加1排木垛的支護(hù)方式。單體柱配合0.8 m長(zhǎng)的π型金屬頂梁進(jìn)行支護(hù)，梁與巷道走向垂直，排距0.8 m，柱距1.2 m；木垛與單體間的排距為0.8 m，如圖2所示。工作面超前80 m以外范圍，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況，在頂板下沉嚴(yán)重區(qū)段補(bǔ)支木垛。

圖2 工作面超前80 m范圍內(nèi)單體與木垛支護(hù)布置示意圖

2 機(jī)械式恒阻單體支柱的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

2.1 機(jī)械式恒阻單體支柱結(jié)構(gòu)組成和支護(hù)原理

針對(duì)千萬(wàn)噸特厚煤層綜放回采巷道跨度大、動(dòng)壓強(qiáng)度大、圍巖變形大的典型特征，研究了機(jī)械式恒阻單體支柱新型礦山支護(hù)裝置，該裝置具有支撐力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、安全性好、使用簡(jiǎn)便、成本低和適用面廣等明顯優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)組成和技術(shù)原理如下。

機(jī)械式恒阻單體支柱如圖3所示。該支柱由7部分構(gòu)件組成，包括：①柱筒、②柱桿、③軸承珠架、④底座、⑤頂帽、⑥帽銷(xiāo)和⑦筒蓋。其工作原理如下：柱桿插入柱筒中，通過(guò)軸承珠架固定，由于軸承珠的作用，在未受軸向壓力的情況下柱桿可向上拔升，但不能回縮；當(dāng)支柱的軸向壓力達(dá)到其額定工作阻力時(shí)，軸承珠架中的鋼珠擠壓柱筒和柱桿，使其金屬晶體發(fā)生塑性流動(dòng)，柱桿恒阻下縮。

圖3 機(jī)械式恒阻單體支柱結(jié)構(gòu)

機(jī)械式恒阻單體支柱的作用原理是柱桿和柱筒之間由鋼珠卡住，當(dāng)頂板對(duì)支柱的壓力達(dá)到其額定工作阻力時(shí)，鋼珠壓扎柱體接觸面，使柱體接觸面的金屬晶體發(fā)生塑性延展，即金屬晶體重新排列并產(chǎn)生一定的變形，而其變形量能使柱桿在柱筒中發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，形成支柱恒阻回縮。由于金屬材料在塑性階段其強(qiáng)度是恒定的，所以支柱受力后不會(huì)發(fā)生支護(hù)強(qiáng)度降低或失效現(xiàn)象。

機(jī)械式恒阻單體支柱是利用柱桿和柱筒之間軸承珠架中的鋼珠對(duì)桿體接觸面進(jìn)行壓軋使之接觸面發(fā)生變形來(lái)提供工作阻力，其工作阻力大小取決于軸承珠架和鋼管本身的材料性能，不受安裝、環(huán)境等其他外界因素的影響，并能充分利用柱筒和柱桿自身的機(jī)械強(qiáng)度。

因此，機(jī)械式恒阻單體支柱具有如下特征：

（1）支撐力強(qiáng)。一般設(shè)計(jì)的產(chǎn)品工作阻力是柱筒或柱桿機(jī)械強(qiáng)度的80%，因而支撐能力取決于選用鋼管的幾何尺寸和材質(zhì)。如需要，額定工作阻力可選配到幾百?lài)嵰陨稀?/p>

（2）支護(hù)穩(wěn)定。該支柱由升柱器加載至設(shè)定的安裝初撐力后，隨著被支護(hù)空間的相對(duì)移近，柱體軸力會(huì)越來(lái)越大，直至達(dá)到額定工作阻力后柱桿恒阻回縮，這是支柱的材料性能所決定的，不受其他外界因素影響，因而安全可靠。

（3）使用簡(jiǎn)便。單支支柱的重量?jī)H為相關(guān)液壓支柱的一半左右，由兩人即可搬運(yùn)和安裝，比磨擦式金屬支柱、液壓?jiǎn)误w支柱以及木垛等都要簡(jiǎn)便和快捷。

（4）使用成本低。機(jī)械式恒阻單體支柱單支支撐能力一般是液壓?jiǎn)误w支柱的3倍以上，是木垛的5倍以上，而價(jià)格分別僅為他們的80%和10%左右，適用面更廣。

2.2 機(jī)械式恒阻單體支柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能研究

2.2.1 工作阻力的影響因素

1）提供支柱工作阻力的摩擦介質(zhì)材料的選擇

機(jī)械式支柱的桿體（活柱）在下縮過(guò)程中，主要依靠桿體與外部缸體之間的摩擦介質(zhì)材料來(lái)提供工作阻力。因此，在試驗(yàn)初期曾嘗試使用強(qiáng)度低的介質(zhì)材料以減少對(duì)支柱表面的破壞，以達(dá)到支柱能重復(fù)利用的效果。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)了A3鋼片和低硬度（160 HB～200 HB）的鋼珠兩種材料，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，使用A3鋼片最大工作阻力僅為1.5 t，使用低硬度鋼珠最大工作阻力也只有9 t。因此，使用強(qiáng)度低的材料作為摩擦介質(zhì)雖可以減少對(duì)支柱表面的破壞，但是支柱的工作阻力都偏低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足礦上實(shí)際支護(hù)需要。

為了有效提高機(jī)械式支柱的工作阻力，摩擦介質(zhì)材料改為高硬度（62 HRC～64 HRC）的高碳鉻鋼珠。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于使用高硬度鋼珠，鋼珠下滑過(guò)程中對(duì)缸體內(nèi)壁產(chǎn)生切削，同時(shí)缸體產(chǎn)生徑向變形，從而大大提高了支柱的工作阻力。在單體支柱鋼材材質(zhì)為普通Q690鋼材時(shí)，工作阻力就可以達(dá)到30 t以上。

2）支柱結(jié)構(gòu)參數(shù)及鋼材材質(zhì)強(qiáng)度的選取

為了進(jìn)一步提高支柱的工作阻力，將支柱的缸體、缸體的壁厚及鋼材材質(zhì)強(qiáng)度進(jìn)一步提高，將鋼材材質(zhì)由Q690鋼變?yōu)?7SiMn鋼，兩種支柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 兩種支柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材質(zhì)參數(shù)

支柱材質(zhì)強(qiáng)度及壁厚提高后，采用相同的高碳鉻鋼珠，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，支柱的恒定工作阻力可由原來(lái)的30 t提高到45 t以上，見(jiàn)圖4。

圖4 支柱材質(zhì)強(qiáng)度及壁厚提高后的載荷位移曲線

3）支柱頂?shù)鬃Y(jié)構(gòu)對(duì)工作阻力的影響

支柱的頂?shù)鬃跗诰O(shè)計(jì)為平盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，如圖5（a）所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一般當(dāng)支柱工作阻力大于50 t以上時(shí)，支柱桿體會(huì)由于偏心導(dǎo)致彎曲，不能繼續(xù)下縮，如圖5（b）所示。

圖5 支柱頂?shù)鬃鶠槠奖P(pán)結(jié)構(gòu)時(shí)加載試驗(yàn)前后支柱變形

為了避免在較高的工作阻力下，支柱由于偏心而導(dǎo)致桿體彎曲變形，分別設(shè)計(jì)了具有自動(dòng)糾正偏心功能的高強(qiáng)度支柱頂?shù)鬃鐖D6所示。底座與柱筒接觸面設(shè)計(jì)為碗狀球面，可使柱筒圍繞四周旋轉(zhuǎn)而自動(dòng)調(diào)整軸向受力；頂帽通過(guò)帽銷(xiāo)與柱桿相連，以防墜落，同時(shí)頂帽與柱桿接觸面也設(shè)計(jì)為碗狀球面，可自動(dòng)調(diào)整軸向受力。使用具有糾正偏心功能的支柱頂?shù)鬃院?，支柱工作阻力達(dá)到50 t以上時(shí)，桿體不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，桿體能一直下縮到最大壓縮行程。

2.2.2 3m高支護(hù)高度下支柱工作阻力測(cè)試試驗(yàn)

一般來(lái)講，支柱支護(hù)高度越高，越容易因偏心而產(chǎn)生彎曲變形，為此對(duì)支護(hù)高度達(dá)到3 m的支柱進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，高支柱壓縮試驗(yàn)載荷-位移曲線如圖7所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)械式高恒阻可縮性單體支柱在總支護(hù)高度為3 m的情況下，支柱恒定工作阻力可達(dá)45 t以上。

圖7 3 m高支柱壓縮試驗(yàn)載荷-位移曲線

3 機(jī)械式恒阻單體支柱超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案與施工工藝

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用選在8110工作面的5110臨空巷，支護(hù)方案為采用型號(hào)為DJH4000∕450機(jī)械式恒阻單體支柱代替木垛進(jìn)行超前支護(hù)，在超前支護(hù)區(qū)域內(nèi)靠近8110工作面采煤側(cè)幫布置一排機(jī)械式恒阻單體支柱，間距為800 mm，與8110工作面采煤側(cè)幫的水平距離為1000 mm，見(jiàn)圖8所示，相鄰的機(jī)械式恒阻單體支柱采用防倒拉桿連接。

圖8 5110巷道機(jī)械式恒阻單體支柱支護(hù)方案

施工工藝：①將機(jī)械式單體支柱的桿體和缸體平放，先將5 mm鋼珠支架套至距桿體標(biāo)記（60 cm）上方約5 cm處，然后再將4 mm鋼珠支架套至桿體標(biāo)記處。將桿體插入缸體內(nèi)直至桿體不能繼續(xù)下移；②將支柱慢慢豎起，豎起過(guò)程中不可拉拔桿體和缸體；③將π型頂梁與支柱頂座用防墜裝置連接好，單體與頂板接實(shí)前放置道木，然后利用升柱器將桿體升起與頂板接實(shí)。然后將4 mm鋼珠支架放置于合適位置，用楔形環(huán)將其壓緊并且使鋼珠支架處于同一水平面上。然后移動(dòng)5 mm鋼珠支架至合適位置，同樣將其壓緊并且使之處于同一水平面上；④兩根單根支柱安裝好后，將支柱間用防倒裝置固定好。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

8110工作面回采期間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，采用機(jī)械式恒阻單體支柱超前支護(hù)后，5110回風(fēng)巷頂板和兩幫最大移近量分別為663 mm和428 mm，較采用木垛與液壓?jiǎn)误w支柱超前支護(hù)方式時(shí)的最大值1 578 mm和2 538 mm，減小了72.22%和73.87%，且深部和淺部最大離層值分別僅為83 mm和56 mm，取得了良好的支護(hù)效果，保障了特厚煤層綜放的安全高效開(kāi)采?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果見(jiàn)圖9。

圖9 機(jī)械式恒阻單體支柱現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

4 結(jié)論

1）塔山礦臨空巷道超前支護(hù)采用木垛配合單體液壓支柱支護(hù)時(shí)，存在支護(hù)能力整體較弱、木垛支護(hù)工序繁鎖等問(wèn)題，巷道超前段維護(hù)困難，嚴(yán)重影響工作面的安全高效開(kāi)采。

2）機(jī)械式恒阻單體支柱具有支撐力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、安全性好、使用簡(jiǎn)便、成本低和適用面廣的優(yōu)點(diǎn)。

3）摩擦介質(zhì)材料采用高硬度（62-64HRC）的高碳鉻鋼珠、鋼材材質(zhì)采用27SiMn鋼、采用自動(dòng)糾正偏心功能的高強(qiáng)度支柱頂?shù)鬃?，可保證機(jī)械式恒阻單體支柱的恒定工作阻力達(dá)45t以上。

4）實(shí)踐表明，機(jī)械式恒阻單體支柱超前支護(hù)技術(shù)能有效減弱大跨度巷道應(yīng)力集中分布和大變形，大大增強(qiáng)了巷道圍巖的穩(wěn)定性。