一种煤矿沿空留巷的新型支护方案

2021-09-14李夏敏

现代矿业 2021年8期

李夏敏

（山西潞安环能上庄煤业有限公司）

传统综采技术方案中，为了确保综采作业的稳定性，在综采作业过程中通常会预留支护煤柱，保证巷道在综采扰动和矿压波动下的稳定性，但是预留煤柱会导致井下回采率降低。沿空留巷综采作业方案由于可以减少预留煤柱，综采效率和煤炭回采率均比较高，因此得到了广泛的应用。

在综采作业过程中，由于受到综采扰动的影响，导致顶板的不断下沉，特别是在矿压波动下，会对巷道两旁的支护体产生巨大的压力。此时，为了确保支护体的稳定性，要求支护体具有一定的可压缩性，从而在达到支护平衡时，能在一定范围内适应巷道顶板岩体的变形，减少顶板在剧烈波动下的下沉量。结合此实际需求，提出了一种新的沿空留巷支护方案，该方案采用一种全新的墩柱支护结构，外侧为钢管套接，内部充填砂石和水，能够根据压力的不同调节支护高度，维持支护平衡性，整体结构简单、可靠性好。

1 墩柱结构性能

井下巷道围岩受采动的影响会产生旋转下沉，特别是在后期阶段，顶板碎裂和下沉最为剧烈，因此为了保证巷道围岩的稳定性，就需要巷旁填充体能够提供足够的支撑力来抵抗外界应力作用，同时支护结构还需要具有一定的可压缩性，减少沿空留巷顶板的下沉量［1］。

结合井下巷道对支护结构的需求，本研究所提出的墩柱支护结构如图1所示，在墩柱的外侧设置有嵌套式的无缝钢管，长度均为2 000 mm，钢管和墩柱主体间的搭接长度不小于500 mm，为了保证墩柱的稳定性，在墩柱内部设置有混合的砂石，其中沙子、石子、石灰的比例按1∶1.2∶0.8，由上进料口加入充填材料。为了便于井下充填操作，在墩柱的外侧设置了8 组吊钩，便于转运［2］，口槽主要用于排水，挡板用于防止碎石进行到口槽内，加强筋主要用于加强结构，支撑体用于保持结构的稳定性，泄压孔用于保证墩柱内压力的稳定性，支护板为卸压孔提供保护。

由墩柱的实际结构可知，由于内部是充满了散料石材，因此当在力的作用下会向下移动，散料的密度会加大，在内部的混合水会被挤压出来，墩柱整体的有效应力增加，其弹性模量逐渐加大。随着受力的继续进行，散料被压实，抗压强度逐渐增大。如果外界的压力进一步增加，则钢管的外侧会逐渐变形，墩柱的承载能力会慢慢降低，直到达到最大破坏强度后，墩柱会突然垮塌。

2 井下墩柱支护方案

为了保证井下墩柱设置的稳定性，井下墩柱施工时需要按照打墩柱、砂石混合以及墩柱加强3个步骤进行，从而确保井下巷道围岩支护的稳定性。

打墩柱是指将墩柱固定在井下指定位置，在井下综采作业过程中，墩柱之间的距离设置为13 m，墩柱在设置时需要紧靠着槽钢的非侧边进行固定，由两个作业人员相互配合，先套接上下2 个套筒，然后对其进行扶正，为了提升扶正的效率和精度，可以采用小型起吊设备挂住套筒的挂钩处，逐步将其固定到槽钢上，避免在设置过程中墩柱的倾倒。当墩柱竖立完成后在井下两侧的支撑座上设置液压点柱并对其固定，在固定过程中不得进行强力推进，避免破坏墩柱上的支撑结构［3］。

当墩柱竖立完成后，需要通过转运小车向着墩柱桶内加入到砂石混合料，为了保证混合料的可靠性，砂、石、生石灰的比例按照1∶1.5∶0.6，混合料的注入高度需要和注料孔齐平，混合料上侧加入喷射混凝土，其水泥、沙子和小石子的配合比例按1∶2∶1。为了确保混合料快速凝结，在混合料内同步增加了速凝剂，速凝剂的量不超过水泥量的2%，在搅拌时需要混合均匀，满足快速凝结的实际需求。

在注浆完成后，需要对墩柱进行加强，用金属网和墩柱上原有的钢筋连在一起，然后将金属网的另一侧固定到侧帮的吊钩上，确保防护的全面性，避免落石从墩柱处掉落对墩柱造成冲击；对采空区进行喷浆作业［4-5］，喷浆的厚度以能够完全将裸露的钢筋覆盖为准，井下墩柱支护效果如图2所示。

3 墩柱支护效果分析

为了对该新型支护方案的实际应用效果进行分析，在井下巷道内设置3 个监测站，对开采过程中沿空留巷的变形进行监测，其监测结果如图3所示。

由图3（a）可知，井下巷道顶底板的平均移近量约为321.7 mm，比墩柱应用前的1 363.1 mm 降低了76.4%，巷道两帮的平均移近量约为290 mm，比墩柱应用前的857.9 mm降低了约66.2%，显著提升了井下巷道支护的稳定性和可靠性。同时在整个开采过程中墩柱的最大下沉量约为244 mm，具有一定的可压缩性，提升了在矿压波动下的稳定性。