劉錦榮

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）

塔山礦是同煤集團千萬噸級礦井，設(shè)計生產(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“對采對掘”問題，臨空巷道受兩次采動壓力影響，動壓顯現(xiàn)強烈，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時，存在支護能力整體較弱、木垛支護工序繁鎖、單體液壓支柱易出現(xiàn)傾斜或彎曲變形支護失效等問題，因而出現(xiàn)頂板下沉、兩幫移近、底鼓嚴重的現(xiàn)象，維護困難，嚴重影響工作面的安全高效開采。對回采巷道的圍巖進行控制，國內(nèi)的研究成果較多【1-8】，但對具有頂板支撐力強、支護穩(wěn)定、使用簡便和使用成本低的支護裝置及技術(shù)進行專題研究的還較少，已成為解決千萬噸特厚煤層綜放面回采巷道超前支護區(qū)域圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文通過對機械式恒阻單體支柱支護技術(shù)的開發(fā)，確定了更為可靠、穩(wěn)妥和經(jīng)濟的動壓巷道超前支護方式。

1 塔山礦8110工作面現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)條件

8110工作面開采石炭系3～5#層，位于塔山礦一盤區(qū)中部，東鄰8109工作面，南與1070回風(fēng)巷為界，西為8111工作面未開拓，北至口泉鐵路保護煤柱。上覆二疊系山4#層，層間距23 m～35 m；對應(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)、行人及運送設(shè)備和材料，長度1 972 m，矩形斷面5.4 m×3.7 m，錨桿+錨索+金屬網(wǎng)支護，采用混凝土鋪底。

以往臨空巷超前支護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排木垛的支護方式。單體柱配合0.8 m長的π型金屬頂梁進行支護，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)場根據(jù)實際情況，在頂板下沉嚴重區(qū)段補支木垛。

圖2 工作面超前80 m范圍內(nèi)單體與木垛支護布置示意圖

2 機械式恒阻單體支柱的設(shè)計開發(fā)

2.1 機械式恒阻單體支柱結(jié)構(gòu)組成和支護原理

針對千萬噸特厚煤層綜放回采巷道跨度大、動壓強度大、圍巖變形大的典型特征，研究了機械式恒阻單體支柱新型礦山支護裝置，該裝置具有支撐力強、性能穩(wěn)定、安全性好、使用簡便、成本低和適用面廣等明顯優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)組成和技術(shù)原理如下。

機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帽銷和⑦筒蓋。其工作原理如下：柱桿插入柱筒中，通過軸承珠架固定，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)支柱的軸向壓力達到其額定工作阻力時，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，柱桿恒阻下縮。

圖3 機械式恒阻單體支柱結(jié)構(gòu)

機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)頂板對支柱的壓力達到其額定工作阻力時，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)生滑動時，形成支柱恒阻回縮。由于金屬材料在塑性階段其強度是恒定的，所以支柱受力后不會發(fā)生支護強度降低或失效現(xiàn)象。

機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桿體接觸面進行壓軋使之接觸面發(fā)生變形來提供工作阻力，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械強度。

因此，機械式恒阻單體支柱具有如下特征：

（1）支撐力強。一般設(shè)計的產(chǎn)品工作阻力是柱筒或柱桿機械強度的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噸以上。

（2）支護穩(wěn)定。該支柱由升柱器加載至設(shè)定的安裝初撐力后，隨著被支護空間的相對移近，柱體軸力會越來越大，直至達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）使用簡便。單支支柱的重量僅為相關(guān)液壓支柱的一半左右，由兩人即可搬運和安裝，比磨擦式金屬支柱、液壓單體支柱以及木垛等都要簡便和快捷。

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

2.2 機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

機械式支柱的桿體（活柱）在下縮過程中，主要依靠桿體與外部缸體之間的摩擦介質(zhì)材料來提供工作阻力。因此，在試驗初期曾嘗試使用強度低的介質(zhì)材料以減少對支柱表面的破壞，以達到支柱能重復(fù)利用的效果。在試驗過程中，試驗了A3鋼片和低硬度（160 HB～200 HB）的鋼珠兩種材料，根據(jù)試驗結(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，使用強度低的材料作為摩擦介質(zhì)雖可以減少對支柱表面的破壞，但是支柱的工作阻力都偏低，遠遠不能滿足礦上實際支護需要。

為了有效提高機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。通過試驗發(fā)現(xiàn)，由于使用高硬度鋼珠，鋼珠下滑過程中對缸體內(nèi)壁產(chǎn)生切削，同時缸體產(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，工作阻力就可以達到30 t以上。

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

為了進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)強度進一步提高，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)強度及壁厚提高后，采用相同的高碳鉻鋼珠，通過試驗發(fā)現(xiàn)，支柱的恒定工作阻力可由原來的30 t提高到45 t以上，見圖4。

圖4 支柱材質(zhì)強度及壁厚提高后的載荷位移曲線

3）支柱頂?shù)鬃Y(jié)構(gòu)對工作阻力的影響

支柱的頂?shù)鬃跗诰O(shè)計為平盤狀結(jié)構(gòu)，如圖5（a）所示。通過試驗發(fā)現(xiàn)，一般當(dāng)支柱工作阻力大于50 t以上時，支柱桿體會由于偏心導(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結(jié)構(gòu)時加載試驗前后支柱變形

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)計了具有自動糾正偏心功能的高強度支柱頂?shù)鬃?，如圖6所示。底座與柱筒接觸面設(shè)計為碗狀球面，可使柱筒圍繞四周旋轉(zhuǎn)而自動調(diào)整軸向受力；頂帽通過帽銷與柱桿相連，以防墜落，同時頂帽與柱桿接觸面也設(shè)計為碗狀球面，可自動調(diào)整軸向受力。使用具有糾正偏心功能的支柱頂?shù)鬃院螅еぷ髯枇_到50 t以上時，桿體不會產(chǎn)生彎曲變形，桿體能一直下縮到最大壓縮行程。

2.2.2 3m高支護高度下支柱工作阻力測試試驗

一般來講，支柱支護高度越高，越容易因偏心而產(chǎn)生彎曲變形，為此對支護高度達到3 m的支柱進行了室內(nèi)試驗，高支柱壓縮試驗載荷-位移曲線如圖7所示。通過試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機械式高恒阻可縮性單體支柱在總支護高度為3 m的情況下，支柱恒定工作阻力可達45 t以上。

圖7 3 m高支柱壓縮試驗載荷-位移曲線

3 機械式恒阻單體支柱超前支護技術(shù)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場支護方案與施工工藝

現(xiàn)場應(yīng)用選在8110工作面的5110臨空巷，支護方案為采用型號為DJH4000∕450機械式恒阻單體支柱代替木垛進行超前支護，在超前支護區(qū)域內(nèi)靠近8110工作面采煤側(cè)幫布置一排機械式恒阻單體支柱，間距為800 mm，與8110工作面采煤側(cè)幫的水平距離為1000 mm，見圖8所示，相鄰的機械式恒阻單體支柱采用防倒拉桿連接。

圖8 5110巷道機械式恒阻單體支柱支護方案

施工工藝：①將機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，單體與頂板接實前放置道木，然后利用升柱器將桿體升起與頂板接實。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)場應(yīng)用效果

8110工作面回采期間的現(xiàn)場實測表明，采用機械式恒阻單體支柱超前支護后，5110回風(fēng)巷頂板和兩幫最大移近量分別為663 mm和428 mm，較采用木垛與液壓單體支柱超前支護方式時的最大值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，取得了良好的支護效果，保障了特厚煤層綜放的安全高效開采?，F(xiàn)場應(yīng)用效果見圖9。

圖9 機械式恒阻單體支柱現(xiàn)場應(yīng)用圖

4 結(jié)論

1）塔山礦臨空巷道超前支護采用木垛配合單體液壓支柱支護時，存在支護能力整體較弱、木垛支護工序繁鎖等問題，巷道超前段維護困難，嚴重影響工作面的安全高效開采。

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

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、采用自動糾正偏心功能的高強度支柱頂?shù)鬃?，可保證機械式恒阻單體支柱的恒定工作阻力達45t以上。

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