采煤工作面的支护问题研究

赵忠证

摘 要：该文分析了煤矿开采中沿空留巷开采方式的特点和存在的主要问题，并对当前煤矿生产中常用的密集支柱支护、矸石带支护和巷旁泵充填支护的主要特点，最后以沿空留巷带支护设计为例，讨论了采煤工作面的支护问题。

关键词：煤矿 工作面 支护

中图分类号：TD8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-01

煤矿采煤工作面的有效支护是保证煤矿安全生产的重要保障。工作面的支护方式受较多因素的影响，如煤层的存储条件、矿压观测值等，需要对这些因素做综合分析和计算后才能确定最合理的工作面支护方式。在早期的煤矿开采中，一般采用定性分析的方式来确定开采面的支护，受经验的影响较大，可靠性不高。随着矿山压力控制理论的逐步完善，定量计算方法被逐步采用。顶板管理方法在实践中采用最多，也取得了很多的经验，关键因素是合理确定支护的强度，这和围岩特性和矿压控制标准有直接关系。在确定了支护强度后，就是要选择合适的支护方式，根据现场情况的不同可采取常规的支护或特殊处理的支护方式来完成对巷道和工作面的支护。常规支护要求能保护顶板即可，在情况特殊时要求支护能够预防对悬顶、滑动、冲击等顶板事故。因此对于煤矿支护来说，关键问题就是确定支护强度和支护形式（支护密度）的选择，该文将就这些问题展开讨论。为了提高研究的针对性，该文以沿空留巷的无煤柱护巷方式为例。

1 沿空留巷的特点与主要问题分析

在煤矿开采工艺中，沿空留巷属于无煤柱开采工艺的一种（另一种是沿空掘巷），这一方式的特点是将已采工作面后方的运输顺槽或回风顺槽用一定方法沿采空区保留下来，作为下一工作面的顺槽。煤矿采用沿空留巷的开采方式能够提高开采效率，对于巷道的维护有利，其优点是非常明显的。多数煤矿的回采巷道长度都在煤矿巷道总长度占有一半以上的比例，因此以沿空留巷作为维护回采巷道的方式既有现实需求又具有技术上的优势，是值得深入研究的课题。

从应用的角度来看，沿空留巷方式在各种类型的煤层开采中都有不同规模的采用，但仍然存在一些问题。这些问题主要表现在对支护进行设计时考虑不够全面，往往只考虑一次采动的影响，巷内支护体强度不能满足二次采动的需要，巷内支护和巷旁支护不匹配，从而影响到留巷的效果。对于巷内支护而言，一般都采用被动金属支架来完成支护，在保障巷道的稳定方面安全保障程度不够理想，主要体现在支护方式和相应的参数选择上不合理，受巷道围岩变形的影响大，且随着围岩变形量的增加，需要大量增加支护的数量和加密棚距，成本会大幅增加。在计算理论方面，一般也这只考虑顶板岩层和支架之间的相互作用关系，对煤层和顶板岩层之间的关系考虑不足。在计算时在力学上的简化必然导致支护设计时的不足，间接影响支护参数的选择，可能为煤矿的安全生产留下隐患。

2 常用巷旁支护技术概述

2.1 密集支柱支护方式

密集支柱巷旁支护形式指随工作面推过之后，在采空区边缘新架设的密集支柱。这类支护方式施工较为方便，架设支架的工作量小，具有较好的早期支撑性能。但密集支柱在完成架设后受外界干扰较大，由于巷道沉降不均匀，但随着围岩变形，或顶板刚度不足，可能形成顶地板卸载而失去切顶作用。因此密集支柱型的支护方式最大的问题就是稳定性问题，能否采用密集支柱支护方式主要取决于顶板岩石的稳定程度，对煤层厚度也有一定的要求。

2.2 矸石带支护方式

将矸石带作为巷旁支护的形式在煤层厚度较薄时（厚度在1.5m以下）广泛采用，由于矸石带承载面积大，稳定性比密集支柱方式更为理想，加之矸石带具有加大的可压缩量，压实后稳定性很好。但在巷道中构筑矸石带工程量很大，需要较多的依赖于人力，要大面积构筑矸石带成本也较高，矸石带巷旁支护在对脆性顶板时效果不理想，可能造成顶板沿煤壁断裂。和矸石带支护类似的巷旁支护方式是料石垛巷旁支护，其优点是能够实现切顶卸载，巷道内的变形控制也较理想，但缺点是料石垛在巷道内可能受力不均而出现自身的变形破坏。

2.3 巷旁泵充填支护

前面两种支护方式都存在着支撑阻力不足，或者工作量大的问题，但巷旁泵充填支护能够克服这些不足。因巷旁泵充填支护技术的原理是在巷道内连续填充砌筑密封墙的形式来完成支护，因此支护的连续性和稳定性都要高于前两种离散型的支护方式。尽管这种支护方式可靠性较高，但其原料一般为硬石膏或硅酸盐水泥，因此成本会更高。

3 沿空留巷带支护设计

沿空留巷的支护需要能够控制围岩的变形幅度，支架要能够较好的满足围岩的变形规律。因此支护的设计其实就是尽可能的协调支架和围岩之间的相互作用，在设计时就是要正确估计支柱的垂向力和切向力，并以此为依据来估计支护的几何尺寸。现分别简述如下。

（1）垂向力的计算 这类计算的目的是确定巷旁的支护阻力，考虑因素是巷道的维护宽度、垮落层数、每层岩层的平均容重和抗拉强度等，具体可按下式计算：

其中，F为支护阻力，参数a表示巷道的维护宽度，计算时按巷内宽度加上支护宽度一同计算，n表示支护的垮落层数，r为岩层的平均容重，以每立方米的MN计算，h为切顶岩层的分层厚度，a为切顶岩层垮落角的余角，以角度值表示，Ln为垮落顶板岩块长度。

当留巷上方采空区顶板悬顶较大时会对支护体造成较大的压力，为了保证巷道的稳定性，如果顶板完整性较好，需要采用切顶墩柱的方式效果往往不够理想。为了降低沿空留巷带的荷载，需要采取挑顶卸压人工强制放顶的方式，降低巷道的维护宽度。

（2）支柱切向力的计算 该部分计算主要是计算岩块垮落时对顶板造成的冲击力，由于岩块对顶板的冲击属于动荷载，因此需要计算最大冲击力和最小冲击力。在计算时主要依据的是破碎的岩块从顶板掉落至工作面后的速度，以及由于挡板的阻挡在挡板上造成的冲击力。计算过程中的一个重要影响因素是岩块和挡板的接触时间，一般可估计为1。在计算出冲击力的范围后，在考察不同的支护方式的承受能力来确定具体的支护方式。

（3）顶板支护 顶板支护主要针对工作面运输巷、回风巷的超前支护，支护的基础应选在结实的地面上，顶梁成直线，上方起伏不平处应垫木料接实顶板。在必要时可对运输巷、回风巷进行加强支护，加强支护的是死后和超前支护类似。

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