采煤工作面的支護(hù)問題研究

趙忠證

摘 要：該文分析了煤礦開采中沿空留巷開采方式的特點(diǎn)和存在的主要問題，并對(duì)當(dāng)前煤礦生產(chǎn)中常用的密集支柱支護(hù)、矸石帶支護(hù)和巷旁泵充填支護(hù)的主要特點(diǎn)，最后以沿空留巷帶支護(hù)設(shè)計(jì)為例，討論了采煤工作面的支護(hù)問題。

關(guān)鍵詞：煤礦 工作面 支護(hù)

中圖分類號(hào)：TD8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（b）-00-01

煤礦采煤工作面的有效支護(hù)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。工作面的支護(hù)方式受較多因素的影響，如煤層的存儲(chǔ)條件、礦壓觀測(cè)值等，需要對(duì)這些因素做綜合分析和計(jì)算后才能確定最合理的工作面支護(hù)方式。在早期的煤礦開采中，一般采用定性分析的方式來確定開采面的支護(hù)，受經(jīng)驗(yàn)的影響較大，可靠性不高。隨著礦山壓力控制理論的逐步完善，定量計(jì)算方法被逐步采用。頂板管理方法在實(shí)踐中采用最多，也取得了很多的經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵因素是合理確定支護(hù)的強(qiáng)度，這和圍巖特性和礦壓控制標(biāo)準(zhǔn)有直接關(guān)系。在確定了支護(hù)強(qiáng)度后，就是要選擇合適的支護(hù)方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的不同可采取常規(guī)的支護(hù)或特殊處理的支護(hù)方式來完成對(duì)巷道和工作面的支護(hù)。常規(guī)支護(hù)要求能保護(hù)頂板即可，在情況特殊時(shí)要求支護(hù)能夠預(yù)防對(duì)懸頂、滑動(dòng)、沖擊等頂板事故。因此對(duì)于煤礦支護(hù)來說，關(guān)鍵問題就是確定支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)形式（支護(hù)密度）的選擇，該文將就這些問題展開討論。為了提高研究的針對(duì)性，該文以沿空留巷的無煤柱護(hù)巷方式為例。

1 沿空留巷的特點(diǎn)與主要問題分析

在煤礦開采工藝中，沿空留巷屬于無煤柱開采工藝的一種（另一種是沿空掘巷），這一方式的特點(diǎn)是將已采工作面后方的運(yùn)輸順槽或回風(fēng)順槽用一定方法沿采空區(qū)保留下來，作為下一工作面的順槽。煤礦采用沿空留巷的開采方式能夠提高開采效率，對(duì)于巷道的維護(hù)有利，其優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。多數(shù)煤礦的回采巷道長度都在煤礦巷道總長度占有一半以上的比例，因此以沿空留巷作為維護(hù)回采巷道的方式既有現(xiàn)實(shí)需求又具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，是值得深入研究的課題。

從應(yīng)用的角度來看，沿空留巷方式在各種類型的煤層開采中都有不同規(guī)模的采用，但仍然存在一些問題。這些問題主要表現(xiàn)在對(duì)支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)考慮不夠全面，往往只考慮一次采動(dòng)的影響，巷內(nèi)支護(hù)體強(qiáng)度不能滿足二次采動(dòng)的需要，巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)不匹配，從而影響到留巷的效果。對(duì)于巷內(nèi)支護(hù)而言，一般都采用被動(dòng)金屬支架來完成支護(hù)，在保障巷道的穩(wěn)定方面安全保障程度不夠理想，主要體現(xiàn)在支護(hù)方式和相應(yīng)的參數(shù)選擇上不合理，受巷道圍巖變形的影響大，且隨著圍巖變形量的增加，需要大量增加支護(hù)的數(shù)量和加密棚距，成本會(huì)大幅增加。在計(jì)算理論方面，一般也這只考慮頂板巖層和支架之間的相互作用關(guān)系，對(duì)煤層和頂板巖層之間的關(guān)系考慮不足。在計(jì)算時(shí)在力學(xué)上的簡化必然導(dǎo)致支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)的不足，間接影響支護(hù)參數(shù)的選擇，可能為煤礦的安全生產(chǎn)留下隱患。

2 常用巷旁支護(hù)技術(shù)概述

2.1 密集支柱支護(hù)方式

密集支柱巷旁支護(hù)形式指隨工作面推過之后，在采空區(qū)邊緣新架設(shè)的密集支柱。這類支護(hù)方式施工較為方便，架設(shè)支架的工作量小，具有較好的早期支撐性能。但密集支柱在完成架設(shè)后受外界干擾較大，由于巷道沉降不均勻，但隨著圍巖變形，或頂板剛度不足，可能形成頂?shù)匕逍遁d而失去切頂作用。因此密集支柱型的支護(hù)方式最大的問題就是穩(wěn)定性問題，能否采用密集支柱支護(hù)方式主要取決于頂板巖石的穩(wěn)定程度，對(duì)煤層厚度也有一定的要求。

2.2 矸石帶支護(hù)方式

將矸石帶作為巷旁支護(hù)的形式在煤層厚度較薄時(shí)（厚度在1.5m以下）廣泛采用，由于矸石帶承載面積大，穩(wěn)定性比密集支柱方式更為理想，加之矸石帶具有加大的可壓縮量，壓實(shí)后穩(wěn)定性很好。但在巷道中構(gòu)筑矸石帶工程量很大，需要較多的依賴于人力，要大面積構(gòu)筑矸石帶成本也較高，矸石帶巷旁支護(hù)在對(duì)脆性頂板時(shí)效果不理想，可能造成頂板沿煤壁斷裂。和矸石帶支護(hù)類似的巷旁支護(hù)方式是料石垛巷旁支護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)切頂卸載，巷道內(nèi)的變形控制也較理想，但缺點(diǎn)是料石垛在巷道內(nèi)可能受力不均而出現(xiàn)自身的變形破壞。

2.3 巷旁泵充填支護(hù)

前面兩種支護(hù)方式都存在著支撐阻力不足，或者工作量大的問題，但巷旁泵充填支護(hù)能夠克服這些不足。因巷旁泵充填支護(hù)技術(shù)的原理是在巷道內(nèi)連續(xù)填充砌筑密封墻的形式來完成支護(hù)，因此支護(hù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性都要高于前兩種離散型的支護(hù)方式。盡管這種支護(hù)方式可靠性較高，但其原料一般為硬石膏或硅酸鹽水泥，因此成本會(huì)更高。

3 沿空留巷帶支護(hù)設(shè)計(jì)

沿空留巷的支護(hù)需要能夠控制圍巖的變形幅度，支架要能夠較好的滿足圍巖的變形規(guī)律。因此支護(hù)的設(shè)計(jì)其實(shí)就是盡可能的協(xié)調(diào)支架和圍巖之間的相互作用，在設(shè)計(jì)時(shí)就是要正確估計(jì)支柱的垂向力和切向力，并以此為依據(jù)來估計(jì)支護(hù)的幾何尺寸。現(xiàn)分別簡述如下。

（1）垂向力的計(jì)算 這類計(jì)算的目的是確定巷旁的支護(hù)阻力，考慮因素是巷道的維護(hù)寬度、垮落層數(shù)、每層巖層的平均容重和抗拉強(qiáng)度等，具體可按下式計(jì)算：

其中，F(xiàn)為支護(hù)阻力，參數(shù)a表示巷道的維護(hù)寬度，計(jì)算時(shí)按巷內(nèi)寬度加上支護(hù)寬度一同計(jì)算，n表示支護(hù)的垮落層數(shù)，r為巖層的平均容重，以每立方米的MN計(jì)算，h為切頂巖層的分層厚度，a為切頂巖層垮落角的余角，以角度值表示，Ln為垮落頂板巖塊長度。

當(dāng)留巷上方采空區(qū)頂板懸頂較大時(shí)會(huì)對(duì)支護(hù)體造成較大的壓力，為了保證巷道的穩(wěn)定性，如果頂板完整性較好，需要采用切頂墩柱的方式效果往往不夠理想。為了降低沿空留巷帶的荷載，需要采取挑頂卸壓人工強(qiáng)制放頂?shù)姆绞剑档拖锏赖木S護(hù)寬度。

（2）支柱切向力的計(jì)算 該部分計(jì)算主要是計(jì)算巖塊垮落時(shí)對(duì)頂板造成的沖擊力，由于巖塊對(duì)頂板的沖擊屬于動(dòng)荷載，因此需要計(jì)算最大沖擊力和最小沖擊力。在計(jì)算時(shí)主要依據(jù)的是破碎的巖塊從頂板掉落至工作面后的速度，以及由于擋板的阻擋在擋板上造成的沖擊力。計(jì)算過程中的一個(gè)重要影響因素是巖塊和擋板的接觸時(shí)間，一般可估計(jì)為1。在計(jì)算出沖擊力的范圍后，在考察不同的支護(hù)方式的承受能力來確定具體的支護(hù)方式。

（3）頂板支護(hù) 頂板支護(hù)主要針對(duì)工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷的超前支護(hù)，支護(hù)的基礎(chǔ)應(yīng)選在結(jié)實(shí)的地面上，頂梁成直線，上方起伏不平處應(yīng)墊木料接實(shí)頂板。在必要時(shí)可對(duì)運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)的是死后和超前支護(hù)類似。

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