梁新海
龙煤双鸭山公司双煤机电公司，黑龙江 双鸭山 155100
摘要：我国大多数煤矿采掘系统接替紧张，实施沿空留巷技术能够实现以矸换煤，提高煤炭资源回收率，降低万吨掘进率及吨煤成本，从根本上改善矿井采掘接续的紧张局面，对煤矿的发展具有巨大的促进作用。所以尽快开展沿空留巷承载机理与支护技术研究，通过研究试验沿空留巷滞后切顶液压支架受力状况，隔断采空区和留巷区，实现切顶卸压沿空留巷工作面作业，对制定沿空留巷支护措施提供了理论依据与指导，进行了有益的实践探索。
关键词：沿空留巷；滞后切顶液压支架；试验研究
引言
针对常规留设煤柱开采方法所带来的煤炭资源采出率低、掘进率高，采空区发火、瓦斯治理困难等问题，结合煤矿工作面煤层顶底板条件，利用双向聚能爆破技术提前预裂爆破，使得巷道顶板按照设定方向张拉预裂成缝，工作面推进后采空区沿缝隙夸落，减小了对留巷段的应力，采用沿空留巷滞后切顶液压支架，进行支护，隔断采空区和留巷区，实现了切顶卸压沿空留巷工作面作业方式。
龙煤双鸭山公司于2018年确立与双煤机电公司合作研制沿空留巷滞后切顶液压支架项目。经过对井下工作面地质条件现场调研，初步确立了总体结构设计方案，通过多方查阅国内外相关技术文献资料，使方案不断得到完善。在具体改进设计中，使用三维软件进行顶梁仿真分析，最大限度地提高关键部位的可靠性。按计划完成了图纸设计工作，并通过了项目组组织的方案，进行试生产调试使沿空留巷滞后切顶液压支架改进项目顺利推进并进行有效的工业性试验。
1 沿空留巷滞后切顶液压支架设计及结构技术比较
目前，现有切顶留巷巷道多采用充填支护或液压单体支柱配合铰接顶梁沿走向架设两排联锁托棚进行支护，组间距为300mm，柱距为800mm，在切顶留巷爆破完后，液压单体支柱必须穿柱鞋配合铰接顶梁进行加强支护，基于切顶支柱理念，完成切顶泄压在沿空留巷中的支护设计过程。
该产品采用单根液压立柱提供支撑力，顶梁采用整体铸造结构，宽度350mm长度1200；底座也采用整体铸造结构，宽度550mm长度1200；立柱固定采用导向套环双侧支撑结构，有一定灵活度，且能保证整体结构稳定，不发现侧翻现象，液压系统采用矿用乳化液泵做为动力源，通过液压手动片阀进行单独控制，每架上均设有安全阀及压力表，便于观测支架受压及立柱工作状况，保证巷道支护安全稳定。因支架由液压支架单根立柱及顶梁、底座结构，所以适应于巷道受采动影响底鼓严重等条件，大底座以增加底板受力面积和摩擦阻力，防止支架钻底，其结构简单，重量轻，移架方便，可通过单轨道实现长距离运输，同时避免对巷道顶板的反复支撑，支架本体可实现系列化设计。其具有强力切顶、高阻让压、主动支撑的性能，充分利用各类支架各自的优点组成多功能的支架体系及时使侧向顶板沿巷旁支护体外侧断裂，以增强支护对不同矿压显现的适应性。
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沿空留巷滞后切顶液压支架结构意示意图
1.顶梁 2.液压立柱 3.导向套环 4.安全阀 5.操作阀 6.底座
1.1 顶梁、底座的结构设计
该支架采用大顶梁、大底座设计，底板比压能够直接反应工作面底板抗压强度和底板所属类型,测定工作面底板比压是支架立柱工阻力选型的重要依据.以东荣二矿南四采区17层2#工作面工作面为研究对象,通过对该工作面进行底板比压计算测定得出东荣二矿底板岩石平均抗压强度σca为98.21MPa,底板容许压强值由下式计算：
［σc］=Cσc
式中:C为底板损伤系数，考虑到沿空留巷过程底板实际浸水状况，取0.05;σc为底板岩石脆性破坏或屈服破坏时，那么［σc］=Cσca=4.9MPa，确定容许底板比压值为4.9MPa,明确了工作面底板属于Ⅱ类软岩底板类型,为该工作面的安全切顶奠定了理论基础。
1.2 切顶支架底面积计算
切顶支架以集中力首先作用在巷道底板表层，当底板所受压强大于底板抗压强度时，底板的表层以及其一定深度内岩石会发生剪切破坏，支架钻入底板，支架附近底板向上隆起。而当切顶支架未达到额定工作阻力便先钻入底板时，切顶支架的支撑力便有可能达不到切顶阻力，从而导致侧向顶板无法切断，同时由于切顶支架钻底量大，顶板下沉量也加大，导致顶板破碎，留巷困难增大。沿空留巷过程中，由于工作采动损伤影响以及单体卸压或架设过程中，泄漏的乳化液浸入底板，弱化底板。则切顶支架设计时，为达到单体支柱的额定工作阻力，必须满足：
S≥Q/［σc］
式中:Q为底座受力，设定额定工作阻力1000Kn;S为支底座面积36.8cm2。代入式(2)得：
S=204.1cm2＞Q/［σc］=36.8cm2。
即支架底座面积满足要求。
2 工业性试验
2.1 工程概况
以龙煤集团双鸭山分公司东荣二矿南四采区17层2#工作面为例，煤层赋存基本稳定，煤层含瓦斯量低，无自燃倾向，煤尘无自燃倾向及瓦斯爆炸危险，具备沿空留巷的先决条件。按巷道长度500m计算，采用切顶沿空成巷技术的补强支护方式，如采用液压单体支柱每米需用4棵，即500米需用2000棵，局部还需增加单体支柱及铰接顶梁加固处理，共计支护材料费用约为360万元；采用沿空留巷滞后切顶液压支架设备租赁费用在40万元，节约费用320万元。
2.2 切顶组合支架应用及留巷效果
根据留巷段各测点表面位移的观测,可得出沿空留巷后方支承压力的影响的大致规律，大致分为3个区域:留巷后方稳定区域、留巷影响减弱区域、留巷影响强烈区域。表明巷旁支护结构在顶板回转下压及切顶过程中提供了足够的工作阻力。当达到额定工作阻力时，对顶底板的比压小，减少了切顶线立柱插入底板的现象，顶板的状况类似于单体恒阻支护状态，顶板不会出现比如综采液压支架移架时反复作用的强烈动压，与综采支架相比，对顶板的破坏率小，同时能更好地适应煤层地质条件，工作面可以不等长，走向长度可长可短，立柱拆卸、安装、调整、运输和中间更换零部件都比较简单方便。
3 结论
通过东荣二矿南四采区17层2#工作面沿空留巷开采的具体实践,具有一定的推广价值。说明巷旁切顶组合支架配合单体支柱能够在顶板回转下压及切顶过程中提供足够的工作阻力，有效解决了采面衔接的局面,取得了显著经济效益，可为类似条件下无墙体沿空留巷提供技术参考。
目前该沿空留巷滞后切顶液压支架已批量生产，已形成规模化，系列化生产格局。已投入龙煤双鸭山公司多矿使用，综合运用理论分析、参数计算，沿空留巷滞后切顶液压支架对工作面沿空留巷大变形的应用特点，针对性地提出了解决方案，创造了良好的经济效益和社会效益，对巷道支护系统研究提供了方向。
参考文献：
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[2]郭鹏飞，张国锋，陶志刚．坚硬软弱复合顶板切顶卸压沿空留巷爆破技术[J]．煤炭科学技术，2016，44(10):120－124．