一種用于沿空留巷擋矸支護(hù)支柱的分析與應(yīng)用

裴軍軍

（山西省晉城市沁水縣應(yīng)急管理局， 山西 晉城 048000）

1 項(xiàng)目背景

無煤柱開采切頂卸壓沿空留巷技術(shù)能夠回收工作面順槽煤柱，減少井下巷道掘進(jìn)，提高資源回收率，但是在沿空留巷過程中，所留巷道往往礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，巷道變形嚴(yán)重，尤其是留巷碎石幫一側(cè)，幫鼓嚴(yán)重，擋矸支護(hù)所用支柱易失效。目前大多數(shù)礦井沿空留巷擋矸支護(hù)所用支柱主要是單體液壓支柱、礦用工字鋼、U 型鋼等。單體液壓支柱成本較高，抗彎強(qiáng)度較低，用于擋矸支護(hù)時(shí)易中部彎曲，彎曲后不易維護(hù)，礦用工字鋼、U 型鋼支柱抗彎強(qiáng)度較低，受壓后易彎折、扭曲變形，變形后擋矸支護(hù)失效，需要一種成本低、支護(hù)強(qiáng)度高的支柱進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷支護(hù)。

當(dāng)前，無煤柱開采切頂卸壓沿空留巷技術(shù)己在山西省沁和能源集團(tuán)全面推廣應(yīng)用，留巷擋矸支護(hù)技術(shù)至關(guān)重要。但從沁和能源集團(tuán)的實(shí)踐應(yīng)用情況來看，現(xiàn)有的擋矸單體液壓支柱價(jià)格昂貴，U 型鋼強(qiáng)度較低易彎曲損壞，造成擋矸支護(hù)成本高、施工慢、易失效，反復(fù)施工，現(xiàn)有技術(shù)都存在一定的不足。因此設(shè)計(jì)了一種用于沿空留巷擋矸支護(hù)的新型支柱，并在沁和能源集團(tuán)端氏煤礦無煤柱開采切頂卸壓沿空留巷開采中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，效果理想[1-2]。

2 用于沿空留巷擋矸支護(hù)支柱的分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)山西省沁和能源集團(tuán)以往擋矸支護(hù)支柱在應(yīng)用過程中存在的問題，設(shè)計(jì)了一種用于沿空留巷擋矸支護(hù)的新型支柱，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，該新型擋矸支護(hù)支柱裝置主要包括柱帽、硅錳鋼管、柱靴和卡盤等部件。硅錳鋼管支設(shè)在沿空留巷碎石幫側(cè)，硅錳鋼管的頂部焊接有柱帽，底部焊接有柱靴，中部焊接有用于安裝壓力表的卡盤，壓力表用于監(jiān)測(cè)碎石幫留巷側(cè)側(cè)向壓力，柱帽和柱靴均為矩形鋼板，使用時(shí)，柱帽和柱靴直接作用于留巷側(cè)巷幫起擋矸作用。

圖1 沿空留巷擋矸支護(hù)的支柱示意圖

2.2 裝置材質(zhì)分析

1）硅錳鋼管：硅錳鋼管為一剛性中空管，硬度大，抗彎強(qiáng)度高，不易彎折，通過上下柱帽柱靴起支護(hù)作用，直接作用于留巷側(cè)巷幫起擋矸作用；所述硅錳鋼管長(zhǎng)度為250～280 cm，長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件留巷高度進(jìn)行調(diào)整，所述硅錳鋼管外徑為100～120 mm，壁厚 8～10 mm，外徑和壁厚大小可根據(jù)沿空留巷巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈程度進(jìn)行調(diào)整。

2）柱帽：使用電焊工藝在硅錳鋼管頂端部焊接矩形鋼板，鋼板為矩形剛性，使用鋼材為Q235 普通板材，所述柱帽為Q235 矩形鋼板，寬×長(zhǎng)為200 mm×300 mm，厚度為8～10 mm，具體尺寸大小可根據(jù)巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈程度進(jìn)行調(diào)整。

3）柱靴：使用電焊工藝在硅錳鋼管底端部焊接矩形鋼板，鋼板為矩形剛性，使用鋼材為Q235 普通板材，所述柱靴為Q235 矩形鋼板，寬×長(zhǎng)為300 mm×400 mm，厚度為8～10 mm，具體尺寸大小可根據(jù)巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈程度進(jìn)行調(diào)整。

4）卡盤：使用電焊工藝在硅錳鋼管中部焊接圓盤，具體位置可根據(jù)巷道高度進(jìn)行調(diào)整，圓盤直徑15 cm，使用鋼材為Q235 普通板材焊接，便于壓力表放置后測(cè)量側(cè)向壓力。

2.3 特點(diǎn)分析

用于沿空留巷擋矸支護(hù)的新型支柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于裝配，提高了沿空留巷擋矸支護(hù)的強(qiáng)度，與現(xiàn)有技術(shù)中的U 型鋼支柱相比，還顯著提高了抗彎強(qiáng)度，能夠提高沿空留巷側(cè)巷幫的穩(wěn)定性，減小巷道幫鼓，從而降低巷道的二次維護(hù)量，節(jié)約了勞動(dòng)力和施工成本。

新型支柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，硅錳鋼管和鋼板易獲取，成本低。由于其強(qiáng)度高，能承受較大礦山壓力，焊接工藝可在煤礦井上完成，不受煤礦井下狹小空間等施工環(huán)境限制，焊接完成后直接運(yùn)輸至井下使用，擋矸支護(hù)高度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道高度進(jìn)行調(diào)整，柱帽、柱靴可根據(jù)巷道頂板、底板巖性進(jìn)行調(diào)整，由于此擋矸支柱強(qiáng)度高，不易損壞，可進(jìn)行二次回收使用，節(jié)約了井下支護(hù)成本。

3 實(shí)踐應(yīng)用及效果分析

3.1 工程概況

端氏煤礦隸屬于沁和能源集團(tuán)有限公司，位于沁水縣端氏鎮(zhèn)，地處侯月線東側(cè)，井田面積94 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量1.2 億t，可采儲(chǔ)量7 000 萬t，主要可開采煤層為3 號(hào)、9 號(hào)、15 號(hào)三層，其中3 號(hào)煤層層厚6 m，儲(chǔ)存穩(wěn)定，構(gòu)造單一。所產(chǎn)蘭花炭，是化工行業(yè)最理想的造氣原料，也是冶金電力和民用難得的燃料用煤，具有低灰、特低硫、發(fā)熱量高、固定碳含量高、可選性好等特點(diǎn)。

端氏煤礦3110 工作面為三軟煤層沿空留巷巷道，寬×高=4.5 m×2.8 m，根據(jù)集團(tuán)公司的安排，決定采用沿空留巷技術(shù)進(jìn)行開采。切頂沿空留巷的最終穩(wěn)定實(shí)際上是由實(shí)體煤幫和采空區(qū)矸石決定的，針對(duì)擋矸支護(hù)在實(shí)際應(yīng)用過程中常因深部巷道應(yīng)力高等因素導(dǎo)致?lián)蹴分ёo(hù)支柱發(fā)生彎曲、折斷現(xiàn)象。同時(shí)由于3110 工作面巷道圍巖遇水易軟化，巷道受采動(dòng)影響較大，頂?shù)装遄冃螄?yán)重，幫鼓嚴(yán)重，針對(duì)這一情況，應(yīng)用了用于沿空留巷擋矸支護(hù)的新型支柱，利用硅錳鋼管擋矸支護(hù)。

3.2 工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷所留巷道高度尺寸，27SiMn 鋼管（壁厚10 mm，外徑114 mm）進(jìn)行截割，Q235 鋼板（厚度10 mm）截割尺寸200 mm×300 mm和300 mm×400 mm，硅錳鋼管兩端焊接鋼板后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行擋矸支護(hù)，中部在圓形卡盤內(nèi)安裝壓力表，可監(jiān)測(cè)采空區(qū)碎石幫側(cè)向壓力大小。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用可以表明，采用擋矸支護(hù)時(shí)，施工方便，支柱未出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象，采空區(qū)碎石幫側(cè)向壓力能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。沿空留巷擋矸支護(hù)新型支柱的工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果理想，該新型支柱已在沁和能源集團(tuán)無煤柱開采切頂卸壓沿空留巷開采中擋矸支護(hù)中進(jìn)行了全面的推廣應(yīng)用[3-5]。

4 結(jié)語

針對(duì)以往沿空留巷擋矸支護(hù)的支柱在應(yīng)用過程中存在的問題，設(shè)計(jì)了一種用于沿空留巷擋矸支護(hù)的新型支柱，包括支設(shè)在沿空留巷碎石幫側(cè)的硅錳鋼管，與之相適配的焊接在硅錳鋼管上部的柱帽，與之相適配的焊接在硅錳鋼管下部的柱靴，硅錳鋼管中部焊接圓形卡盤，便于安裝壓力表，對(duì)采空區(qū)碎石幫側(cè)進(jìn)行側(cè)向壓力監(jiān)測(cè)，形成一個(gè)整體支護(hù)支柱。該新型支柱在沁和能源集團(tuán)端氏煤礦3110 工作面切頂卸壓沿空留巷開采中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，新型支柱顯著提高了抗彎強(qiáng)度，能夠提高沿空留巷側(cè)巷幫的穩(wěn)定性，減小巷道幫鼓，從而降低巷道的二次維護(hù)量，節(jié)約了勞動(dòng)力和施工成本。