劉殿華，保文俊，周成豪，陳國華

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦采場臨時支護(hù)主要采用傳統(tǒng)的木支護(hù)方式，支護(hù)強(qiáng)度低、效率低和成本高等問題突出，主要表現(xiàn)在以下四個方面：一是隨著我礦開采的不斷往下延深，地壓逐漸增大，局部因頂板來壓造成木支柱發(fā)生塑性變形而發(fā)生破壞，起不到支護(hù)的作用［1］；二是采場支護(hù)效率較低，且勞動強(qiáng)度大，嚴(yán)重制約采場單產(chǎn)能力的提升；三是該支護(hù)方式需要消耗大量木材，且重復(fù)利用率低，采場支護(hù)成本大；四是隨著國家對生態(tài)環(huán)境的重視，國家對森林實(shí)現(xiàn)限額采伐的保護(hù)性措施，必然造成木材供應(yīng)緊張，同時，大量的木材消耗已不符合國家綠色發(fā)展的要求。單體液壓支柱作為采場支護(hù)設(shè)備，具有初撐力大、支護(hù)效率高和可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)。近年來，產(chǎn)品日益完善和升級，已系列化和規(guī)?；a(chǎn)。目前，單體液壓支柱已廣泛應(yīng)用于煤礦開采的頂板支護(hù)，并取得了良好的支護(hù)效果［2］，為此，針對現(xiàn)有傳統(tǒng)木支護(hù)難以滿足采場臨時支護(hù)要求的現(xiàn)狀，武山銅礦擬通過引進(jìn)單體液壓支柱，以實(shí)現(xiàn)提高支護(hù)效率和質(zhì)量以及降低支護(hù)成本的目標(biāo)。

2 單體壓夜支柱主要支護(hù)參數(shù)的確定

2.1 采礦方法簡介

武山銅礦北礦帶采用下向進(jìn)路式分級尾砂膠結(jié)充填采礦方法，切回采斷面寬×高=4m×4m。切回采到位后，采空區(qū)充填分三期進(jìn)行，一期充填采空區(qū)高度的一半，充填配比為1∶4，二期充填剩余采空區(qū)充填配比為1∶8，三期充填分級尾砂用于采空區(qū)接頂。充填前，采空區(qū)底部鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，并按1.6m×1.6m的網(wǎng)度預(yù)埋豎筋，豎筋高度2.4m，兩端焊接托盤，通過豎筋使得一期和二期充填體形成一個整體。

2.2 單體液壓支柱及主要配套設(shè)施

根據(jù)現(xiàn)有采礦斷面尺寸及支護(hù)強(qiáng)度等要求，單體液壓支柱和頂板離層儀等主要配套設(shè)備設(shè)施相關(guān)技術(shù)參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 液壓支柱主要技術(shù)參數(shù)

表2 頂板離層儀主要技術(shù)參數(shù)

2.3 單體壓夜支柱主要支護(hù)參數(shù)的確定

2.3.1 支柱密度

合理支護(hù)密度是控制頂板及提高工作面生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。它通過合理的支護(hù)強(qiáng)度Pz和支柱實(shí)際支撐能力RT確定。

一般合理的支柱密度可用下式表示：

式中：n為工作面合理的支柱密度，根/m2；Pz為工作面合理的支護(hù)強(qiáng)度，kPa；RT為工作面支柱的實(shí)際支撐能力，kN；a為排距，取3.5m；b為柱距，m。

（1）工作面支護(hù)強(qiáng)度的確定。

工作面支護(hù)強(qiáng)度是指單位面積內(nèi)全部支柱的總支撐力。支柱承受的壓力P是上分層充填體全部重量Q1和上分層充填體以上不能形成平衡條件的載荷 Q2，因Q2難以確定,常把 Q1作為載荷基礎(chǔ)，而后考慮一定的系數(shù) N［3］。

式中：P為考慮頂板及地壓顯現(xiàn)時的支護(hù)強(qiáng)度， kPa；N為載荷系數(shù)，取2；M為采高，按4m計(jì)算；K為充填體碎脹系數(shù)，取1.45。γ為充填體比重，取1.6t/m3；經(jīng)計(jì)算工作面支護(hù)強(qiáng)度P=28.4kPa。

（2）支柱實(shí)際支撐能力的確定。

將頂板控制在最小的下沉量時的支柱阻力通常被撐為有效支撐能力。支柱在工作面支護(hù)過程中的有效支撐能力，通常情況下要比額定的工作阻力小。所以為了確定有效的支撐能力，常用山東科技大學(xué)實(shí)測和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式確定單體支柱在工作程中實(shí)際能達(dá)到的承載能力［4］。

式中：RT為考慮頂板及地壓顯現(xiàn)時的支護(hù)強(qiáng)度，kPa；Kg為工作系數(shù)，取0.99；Kz為增阻系數(shù)，取0.95；Kb為支柱承載不均勻系數(shù)，取0.9m。Kh為采高系數(shù)，取0.9。Rb為支柱額定阻力，按300kN計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算支柱有效支撐能力RT=228.5kN。

表3 支柱有效支撐能力影響系數(shù)表

通過以上對工作面支護(hù)強(qiáng)度和支柱實(shí)際支撐能力的確定，支柱的排距b為3.5m，通過計(jì)算可得支柱間距a=2.3m。結(jié)合現(xiàn)場操作支柱支護(hù)質(zhì)量以及充填體質(zhì)量波動等因素，支柱間距有偏差情況出現(xiàn)，由上述計(jì)算支柱間距2.3m，取2m，允許柱距偏差0.3m，如圖1。

圖1 單體液壓布置圖

2.3.2 支柱初撐力

初撐力是支柱的主要參數(shù)，對于增強(qiáng)支柱支護(hù)效果具有重要作用。初撐力初撐力是指支柱通過泵壓而給予頂板的主動支撐力。即較大的初撐力能使支柱較快達(dá)到工作阻力，減小頂板下沉量,抑制頂板離層，初撐力P0計(jì)算公式如下［5］：

式中：Pb為泵站的額定工作壓力（不考慮管路壓力損失），按20MPa計(jì)算； D為活柱內(nèi)徑，按110mm計(jì)算；η為折損系數(shù)，取0.75。

經(jīng)計(jì)算支柱初撐力P0=142.5kN。

因此，提高支柱初撐力且工作中要保持其數(shù)值穩(wěn)定，一般情況下，支柱的初撐力應(yīng)該高于其額定初撐力的70%~80%，只有這樣才能安全有效的控制頂板穩(wěn)定［6］。為確保支柱有足夠的初撐力來控制控制頂板穩(wěn)定，應(yīng)采取以下工作措施。

（1）提高并更新泵站性能，提高泵站壓力以及液壓管路的質(zhì)量，保證泵站壓力大于18MPa。泵站安放位置標(biāo)高高于支柱支護(hù)點(diǎn)的標(biāo)高，泵站安裝位置距離工作面支護(hù)點(diǎn)的最大距離不大于300m，以減少管路壓力損失。

（2）加強(qiáng)對工作面頂板的檢測監(jiān)控工作，及時查看工作面支護(hù)情況，對欠壓支柱堅(jiān)持單槍二次補(bǔ)液。

（3）加強(qiáng)工作面頂、底板管理，支設(shè)支柱盡可能支在硬底上，堅(jiān)持頂戴帽、底穿鞋等措施，不得采取在支柱底部墊木板或柱帽上打木楔板條等，提高工作面支護(hù)系統(tǒng)的剛度。

（4）增加注液時間，單體液壓支柱接頂后，繼續(xù)供液4~5s，再切斷液源，使支柱完全“頂死”。

（5）支柱應(yīng)垂直于頂、底板支設(shè)，使支柱處于軸向垂直受力狀態(tài)，避免支柱偏載。

（6）新下井的或經(jīng)檢修后的支柱，第一次使用時應(yīng)先升降1~2次（最大行程），排凈腔內(nèi)空氣，避免腔內(nèi)含有氣體時會使支柱初撐以后產(chǎn)生緩慢下降。

3 工作面頂板監(jiān)測及分析

3.1 監(jiān)測內(nèi)容和方法

要保證單體液壓支柱在工作的科學(xué)使用，就需要對工作面支護(hù)質(zhì)量與頂板進(jìn)行監(jiān)測。通過對支柱工作狀態(tài)及頂板相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，可以有效的提高工作面支柱初撐力及實(shí)際工作阻力、改善采場工作面支護(hù)質(zhì)量。所以加強(qiáng)相關(guān)監(jiān)測對于單體液壓支柱工作面頂板管理來說是至關(guān)重要的。通過合理的監(jiān)測及時掌握回采工作面頂板的安全狀況及支護(hù)效果,從而確定合理的支護(hù)形式和支護(hù)密度，提高采場支護(hù)質(zhì)量。所以根據(jù)實(shí)際情況使用LBY-3型頂板離層儀對頂板離層和下沉量進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 儀器數(shù)讀與數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充填體頂板發(fā)生離層時，頂板發(fā)生一定量的下沉，造成各測量基點(diǎn)與套筒之間的相對位移，通過鋼絲繩拉動測筒上的指示環(huán)滑動進(jìn)行讀數(shù)。

（1）充填體離層值是實(shí)際測量值與套筒的相對位移，即［7-8］：

式中：h深、h淺為監(jiān)測實(shí)際讀數(shù)；h1為淺部測量基點(diǎn)到套筒間充填體的離層量；h2為深部和淺部兩測量基點(diǎn)間充填體的離層量；h0為套筒和頂板之間的相對位移，為參照高度，取0m。

（2） 頂板下沉量為不同深度的巖層離層量之和，即：

因此，頂板離層儀深部測量基點(diǎn)的觀測值即為頂板的下沉量。

表4 液壓支柱支護(hù)頂板離層監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mm

圖2 液壓支柱支護(hù)深、淺基點(diǎn)范圍離層量

表5 木支柱支護(hù)頂板離層監(jiān)測數(shù)據(jù)表 單位：mm

圖3 木支柱支護(hù)深、淺基點(diǎn)范圍離層量

4 結(jié)語

（1）無論是木支護(hù)還是單體液壓支柱支護(hù)，深基點(diǎn)均比淺基點(diǎn)范圍內(nèi)離層量相對較大，說明充填體內(nèi)豎筋對充填體離層有一定的抑制作用。

（2）液壓支柱支護(hù)離層最大值為13mm，遠(yuǎn)小于離層量預(yù)警值45~50mm，說明支柱的工作阻力存在富余，有進(jìn)一步加大支柱間距的空間。但單體液壓支柱間距要綜合考慮充填體頂板質(zhì)量、頂板暴露面積、圍巖強(qiáng)度等實(shí)際情況，通過對頂板監(jiān)測來對單體液壓支柱的支護(hù)參數(shù)作進(jìn)一步的優(yōu)化。

（3）液壓支柱相比木支柱支護(hù)下沉量相對較小且均勻，說明單體液壓支柱初撐力大且能保持穩(wěn)定，能更好發(fā)揮與圍巖的相互共同支護(hù)作用。

（4）單體液壓支柱現(xiàn)場試驗(yàn)中，單體液壓支柱支護(hù)作業(yè)單位成本為1.22元/t，較木支護(hù)作業(yè)單位成本1.71元/t有所下降，同時，在支護(hù)質(zhì)量和效果等方面有顯著的改善。