大傾角煤層沿空留巷弓形柔性掩護(hù)支架控制技術(shù)

沈 平，姜永東，楊啟軍，鄒 勇，謝英亮，李 廣

（1.四川川煤石洞溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，四川 旺蒼 628211；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

0 引 言

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層，占我國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的15%～20%，年產(chǎn)量占煤炭總產(chǎn)量的10%。 在我國(guó)西部，50%以上的煤礦屬于大傾角煤層，其中四川省煤炭產(chǎn)量的40%～50%來(lái)自于大傾角煤層。 我國(guó)煤礦以地下開(kāi)采為主，回采巷道長(zhǎng)度約占巷道總長(zhǎng)的60%［1-3］，長(zhǎng)期以來(lái)，絕大部分采區(qū)巷道采用留煤柱護(hù)巷，導(dǎo)致煤炭損失量巨大，約占全礦煤炭損失總量的40%左右［4，5］。 隨著煤礦開(kāi)采不斷向深部延伸，地應(yīng)力增加，護(hù)巷煤柱寬度越留越大，煤炭采出率大幅降低，巷道維護(hù)難度增大。沿空留巷一般可使煤炭采出率提高10%～20%，因此，采用沿空留巷技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)一巷兩用，提高煤炭采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限等具有重要意義［6-8］。

在使用煤礦沿空留巷技術(shù)的國(guó)家中，英國(guó)多采用高水材料進(jìn)行巷旁充填，德國(guó)多采用低水材料進(jìn)行巷旁充填，波蘭多采用金屬可縮性支架，總體而言，巷旁支護(hù)多使用充填帶、矸石帶或混凝土墩柱等［9-11］。 目前，我國(guó)巷旁支護(hù)主要有：矸石裝袋堆碼支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度低、效果差；混凝土墩柱護(hù)巷，墩柱之間的矸石易滾動(dòng)，造成巷道封堵；砌筑預(yù)制混凝土塊墻支護(hù)，施工效率較低，墻體受力不均，產(chǎn)生不同程度的破壞；柔模沿空留巷，適用于變形小的硬巖巷道，不適用大變形的軟巖巷道，施工過(guò)程影響采煤；泵送膠結(jié)充填支護(hù)，支護(hù)效果好，但成本偏高［12-14］。

巷旁支護(hù)作為沿空留巷的一大難題，在我國(guó)還沒(méi)有得到很好地解決［15-17］，因此，還需研發(fā)經(jīng)濟(jì)效益更高、支護(hù)效果更好、施工效率更高的沿空留巷技術(shù)，筆者發(fā)明了弓形柔性掩護(hù)支架沿空留巷技術(shù)，在川煤集團(tuán)石洞溝煤礦成功應(yīng)用，取得了顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了大傾角煤層沿空留巷安全、經(jīng)濟(jì)、快速的巷旁支護(hù)。

1 石洞溝煤礦概況

石洞溝煤礦屬于川煤集團(tuán)，位于四川省廣元市旺蒼縣三江鎮(zhèn)，采用平硐＋斜井開(kāi)拓方式，礦井生產(chǎn)能力30 萬(wàn)t／a，屬于低瓦斯礦井。 礦井劃分2 個(gè)水平，＋515 m 水平已基本開(kāi)采完畢，＋300 m 水平劃分為2 個(gè)采區(qū)，主石門以東為32 采區(qū)，走向長(zhǎng)2 300 m，以西為31 采區(qū)，走向長(zhǎng)2 000 m。 礦井可開(kāi)采煤層共4 層（K10、K11、K12、K13），K13煤層是31 采區(qū)主采煤層，頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1，全區(qū)可采，目前礦井正在開(kāi)采K13煤層31321 工作面，采用俯偽斜柔性掩護(hù)液壓支架支護(hù)工作面，應(yīng)用弓形柔性掩護(hù)支架沿空留巷技術(shù)。 工作面走向長(zhǎng)度915 m，偽傾斜長(zhǎng)度130.6 m，工作面?zhèn)蝺A角30°，采高3 m。

K13煤層厚度穩(wěn)定，煤層厚度2.61～3.68 m，普氏系數(shù)2 ～3，走向長(zhǎng)4 660 m，煤層走向265°，傾角52°～60°，平均58°。 煤層頂板多為泥巖、灰質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖，底板為泥巖、粉砂巖。

表1 K13煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of K13coal seam roof and floor

2 弓形柔性掩護(hù)支架設(shè)計(jì)

2.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝

弓形柔性掩護(hù)支架如圖1 所示，由上臂支撐梁、腰背承壓梁、穩(wěn)架腳梁、承壓穩(wěn)固銷、加強(qiáng)筋板、抗壓加強(qiáng)筋板、組架壓繩板以及方腳承壓板8 個(gè)部分組成，剛度高，有很強(qiáng)的抗彎能力。 支架參數(shù)：上臂支撐梁長(zhǎng)1 600 mm，腰背承壓梁長(zhǎng)1 600 mm，穩(wěn)架腳梁長(zhǎng)1 300 mm，上臂支撐梁和腰背承壓梁夾角135°，腰背承壓梁與穩(wěn)架腳梁夾角135°，支護(hù)高度2 431 mm、寬度2 731 mm、斜長(zhǎng)3 500 mm。

圖1 弓形柔性掩護(hù)支架結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bow flexible shield support

掩護(hù)支架采用11 號(hào)礦用工字鋼，工字鋼寬90 mm，高110 mm，螺栓型號(hào)為?14 mm×70 mm。 支架上臂支撐梁和腰背承壓梁、腰背承壓梁和穩(wěn)架腳梁連接豁口處雙層焊，另采用加強(qiáng)筋板（長(zhǎng)200 mm，寬50 mm，厚8 mm）焊接在豁口處，雙面焊接；上臂支撐梁和腰背承壓梁，腰背承壓梁和穩(wěn)架腳梁內(nèi)槽兩面連接豁口處采用抗壓加強(qiáng)筋板滿焊，兩邊抗壓加強(qiáng)筋板穿承壓穩(wěn)固銷，雙層焊接；工字鋼先切割再鉆孔、后冷彎再焊接，焊接全部采用滿焊，在工字鋼內(nèi)槽焊接處用厚10 mm 鋼板加固。 支架焊接處結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 支架底部方腳承壓板（長(zhǎng)150 mm，寬90 mm，厚8 mm），呈彎曲狀滿焊焊接在穩(wěn)架腳梁上。 焊接要求：焊接無(wú)裂紋，無(wú)夾渣，無(wú)氣孔，表面光滑，焊接后調(diào)質(zhì)。 穩(wěn)架腳梁保持垂直，上臂支撐梁水平。

圖2 支架焊接處結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of stent weld

2.2 支架安裝方法

31321 采煤工作面運(yùn)輸巷道斷面為異形結(jié)構(gòu)的六邊形，巷道寬4.2 m、高3.4 m，高幫高為2.2 m，矮幫高為1.0 m，斷面積11 m2，采用錨桿＋錨索＋W 型鋼帶聯(lián)合支護(hù)，原巷道鄰采空區(qū)一側(cè)，因采動(dòng)影響破壞，采用弓形柔性掩護(hù)支架沿空留巷，可以支撐和掩護(hù)巷道鄰采空區(qū)一側(cè)的破碎巖體。 工作面前方每隔5 m 預(yù)留1 個(gè)超前溜煤眼位置，溜煤眼寬度0.8 m，用于工作面推采后溜煤。 弓形柔性掩護(hù)支架安裝如圖3 所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4 所示，支架安裝方法：支架間隙200 mm，支架下肢安裝在巷道底板上，支架的上肢緊貼巷道頂板，支架背面用木板、竹笆插嚴(yán)背實(shí)，防止采空區(qū)冒落的巖塊滾入巷道。 每根支架用4 組（8 根）?26 mm 鋼絲繩配夾板、螺栓進(jìn)行連接，將所有支架連接在一起，形成剛?cè)岵⑴e的連續(xù)墻，保持良好的工作特性，確保巷道巖體穩(wěn)定。

圖3 沿空留巷支架安裝示意Fig.3 Schematic diagram of stent installation in gob-side entry retaining

弓形柔性掩護(hù)支架至尾部在用溜煤眼的距離不得小于5 m，最末1 根支架以東10 m 范圍內(nèi)安裝雙排單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，10 ～20 m 安裝單排單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，單體液壓支柱的間、排距為1 m，超前支柱必須“穿鞋”、“戴帽”。

圖4 弓形柔性掩護(hù)支架現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.4 Field installation diagram of bow flexible shield support

3 弓形柔性掩護(hù)支架受力分析

大傾角煤層開(kāi)采上覆巖層移動(dòng)如圖5 所示，基于基本頂斷裂形成“廠”型彎曲的巖層移動(dòng)結(jié)構(gòu)。直接頂隨支架移動(dòng)產(chǎn)生冒落，在自重的作用下沿底板向下滾動(dòng)，形成垮落帶，垮落帶在采空區(qū)內(nèi)由下至上形成密實(shí)程度不同的三帶：Ⅰ帶在采空區(qū)下部，冒落矸石滾動(dòng)沖擊堆積已全部密實(shí)，并與處于懸臂梁的基本頂構(gòu)成一體，對(duì)頂板起到一定的支承作用；Ⅱ帶在采空區(qū)中下部，冒落矸石滑移堆積不密實(shí)，與基本頂斷口塔接，存在一些空隙，與基本頂未構(gòu)成一體，對(duì)頂板支承作用較??；Ⅲ帶在采空區(qū)上部，采空區(qū)基本呈不規(guī)則的拱狀或楔狀懸空空間，大部分空間無(wú)矸石充填，對(duì)基本頂無(wú)支承作用。

基于大傾角煤層開(kāi)采上覆巖層“廠”型結(jié)構(gòu)，弓形柔性掩護(hù)支架力學(xué)分析如圖6 所示。 煤層頂板壓力q1，即弓形柔性掩護(hù)支架頂梁的壓力，基本頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓時(shí)取值為8Mr1；正常時(shí)期和沿空留巷處于重新壓實(shí)區(qū)時(shí)取值為4Mr1，公式如下：

式中：q1為煤層頂板壓力，kPa；M 為煤層平均采高，m；r1為巖體容重，kN／m3。

弓形柔性掩護(hù)支架斜面壓力q7計(jì)算公式為

式中：r2為垮落帶巖塊容重，kN／m3；H 為垮落帶巖塊堆積高度，m。

圖5 大傾角煤層開(kāi)采上覆巖層“廠”型移動(dòng)形態(tài)Fig.5 “τ”type movement pattern of overlying strata in steeply dipping seam mining

圖6 弓形柔性掩護(hù)支架力學(xué)分析Fig.6 Mechanical analysis of bow flexible shield support

弓形柔性掩護(hù)支架側(cè)面壓力q8計(jì)算公式為

式中：λ 為側(cè)壓系數(shù)。

31321 采煤工作面的區(qū)段運(yùn)輸巷采用沿空留巷，作為下一個(gè)工作面的回風(fēng)巷，采用弓形柔性掩護(hù)支架護(hù)巷，支架間距0.2 m，支架設(shè)計(jì)參數(shù)為：頂梁長(zhǎng)度1.6 m、斜面長(zhǎng)度1.6 m、幫高度1.3 m，支架斜面傾角β 為45°，沿空留巷后巷道寬度2.731 m、高度2.431 m，凈斷面積約7 m2，則頂梁、腰背承壓梁、穩(wěn)架腳梁的壓力為

式中：a 為支架間距，取0.2 m。

根據(jù)力、力矩平衡方法，柔性掩護(hù)支架支撐反力F0、F1、F2，單體支柱支撐反力F3分別為

通過(guò)化簡(jiǎn)，則F0、F1、F2、F3表達(dá)式為

若無(wú)單體支柱支護(hù)，即F3＝0，則F0、F1、F2表達(dá)式如下

根據(jù)材料力學(xué)，受均勻荷載工字鋼支架的拉壓強(qiáng)度σ 為

式中：M 為最大彎矩；y 為任意一點(diǎn)到中性軸的距離；J 為斷面慣性矩；q 為均布荷載；l 為梁的長(zhǎng)度；b為11 號(hào)礦用工字鋼的寬，取90 mm；h 為11 號(hào)礦用工字鋼的高度，取110 mm。

受均勻荷載工字鋼的撓度ω 為

式中：E 為工字鋼的彈性模量，11 號(hào)工字鋼E 取206 GPa。

已知M ＝3.24 m，r1＝24 kN／m3，α ＝55°，H ＝13 m，r2＝23 kN／m3，λ ＝0.43， a ＝0.2 m，β ＝45°。 計(jì)算得到q1＝622.1 kPa，q7＝754.5 kPa，q8＝128.6 kPa，Q1＝199.1 kN，Q7＝241.4 kN，Q8＝33.4 kN，F(xiàn)0＝346.2 kN，F(xiàn)1＝-142.1 kN，F(xiàn)2＝-57.4 kN，F(xiàn)3＝427.1 kN；當(dāng)支架無(wú)單體支柱支撐，則F3＝0 時(shí)，則F0＝-133.6 kN，F(xiàn)1＝337.7 kN，F(xiàn)2＝369.8 kN。

11 號(hào)礦用工字鋼的拉壓強(qiáng)度為510 MPa，得出支架正常時(shí)期和沿空留巷處于重新壓實(shí)區(qū)工字鋼支架的拉壓強(qiáng)度為187.2 MPa，安全性系數(shù)為2.724。 基本頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓時(shí)工字鋼支架的拉壓強(qiáng)度為374.3 MPa，安全性系數(shù)為1.363，因此支架能承受圍巖壓力，可控制圍巖的變形，是安全可靠的。

4 弓形柔性掩護(hù)支架護(hù)巷機(jī)理與應(yīng)用效果

根據(jù)煤層頂板巖層斷裂結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析，弓形柔性掩護(hù)支架上臂支撐梁承受頂板壓力q1，將壓力傳遞給單體支柱，支柱支撐力為F3；腰背承壓梁承受的壓力q7為斷裂帶傳遞給Ⅰ帶的壓力q2與Ⅰ帶、Ⅱ帶巖塊的自重q5之和，壓力傳遞給支架，巷道幫圍巖提供支撐力F1；穩(wěn)架腳梁承受一部分頂板壓力和垮落帶巖塊的水平壓力q8，支架的支撐力F2。

在礦山壓力的作用下，垮落帶Ⅰ帶的矸石已被壓密實(shí)，能有效支撐基本頂壓力，與弓形柔性掩護(hù)支架形成的組合體安全控制了沿空留巷的穩(wěn)定性，整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)具有剛?cè)岵⑴e的功能，即單根支架剛度大，能承受高的壓力，通過(guò)鋼絲繩串連起來(lái)的支架，在垮落帶矸石的推力的作用下，支架系統(tǒng)可整體水平移動(dòng)，上臂支撐梁插入巷道幫圍巖中，增強(qiáng)了支架水平方向的抗壓能力，最終實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)架”功能，達(dá)到安全護(hù)巷目的。

31321 采煤工作面走向長(zhǎng)度915 m，全部采用弓形柔性掩護(hù)支架系統(tǒng)將區(qū)段運(yùn)輸巷保留下來(lái)，實(shí)現(xiàn)了沿空留巷和無(wú)煤柱開(kāi)采，充分發(fā)揮了支架的支撐和掩護(hù)作用，在工作面回采期間，支架無(wú)斷裂、彎曲變形，焊接處完好，巷道平直。 實(shí)踐表明，大傾角煤層開(kāi)采應(yīng)用弓形柔性掩護(hù)支架沿空留巷是安全的、可行的，而且支架可回收重復(fù)利用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 論

1）針對(duì)大傾角煤層沿空留巷難題，發(fā)明了弓形柔性掩護(hù)支架護(hù)巷方法，并在四川煤業(yè)集團(tuán)石洞溝煤礦成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大傾角煤層沿空留巷安全、經(jīng)濟(jì)、快速地巷旁支護(hù)。

2）垮落帶與弓形柔性掩護(hù)支架形成的組合體具有剛?cè)岵⑴e的功能，能充分發(fā)揮支撐和掩護(hù)作用，支撐頂板壓力，掩護(hù)采空區(qū)冒落的大量巖塊，降低巖塊滾落的沖擊力，正常時(shí)期、來(lái)壓期間，支架安全系數(shù)分別為2.724、1.363，確保沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性與安全。

3）針對(duì)煤層的賦存條件和礦山壓力顯現(xiàn)特征，使用過(guò)程中建議進(jìn)一步優(yōu)化弓形柔性掩護(hù)支架結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工工藝，設(shè)計(jì)出更安全、可靠的支架。