㊀第４９卷第３期
煤炭科学技术
Ｖｏｌ ４９㊀Ｎｏ ３㊀㊀
２０２１年
３月
ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
㊀Ｍａｒ．２０２１㊀
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沈㊀平，姜永东，杨启军，等．大倾角煤层沿空留巷弓形柔性掩护支架控制技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０２１，４９（３）：３７－４２ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０３ ００３ＳＨＥＮＰｉｎｇ，ＪＩＡＮＧＹｏｎｇｄｏｎｇ，ＹＡＮＧＱｉｊｕｎ，ｅｔａｌ．Ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｂｏｗ－ｓｈｉｅｌｄ－ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒ
ｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇｉｎｈｉｇｈｌｙｉｎｃｌｉｎｅｄｓｅａｍ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４９（３）：３７－４２ ｄｏｉ：
１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０３ ００３
大倾角煤层沿空留巷弓形柔性掩护支架控制技术
沈㊀平１，姜永东２，杨启军１，邹㊀勇１，谢英亮２，李㊀广１
（１．四川川煤石洞沟煤业有限责任公司，四川旺苍㊀６２８２１１；２．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆㊀４０００４４）
摘㊀要：大倾角煤层占我国煤炭总储量的１５％ ２０％，在我国西部，５０％以上的煤矿属于大倾角煤层，为了实现大倾角煤层沿空留巷，需研发新型沿空留巷技术㊂基于大倾角煤层开采岩层移动 厂 型结构模型，发明了弓形柔性掩护支架，并成功应用于石洞沟煤矿３１３２１大倾角采煤工作面，实现了沿空留巷，减少了煤炭损失，提高了采出率㊂研究结果表明：研制的弓形柔性掩护支架系统具有刚柔并举的功能，即单根支架刚度大，能承受高压力，在垮落带矸石的推力作用下，支架系统可整体水平移动，具有柔性功能㊂通过现场试验，发现弓形柔性掩护支架沿空留巷，充分发挥了支架的支撑和掩护作用，支架承受顶板的压力较小，不会发生向下弯曲和断裂，支架与压实的垮落带形成的组合体结构，能有效控制矿山压力，正常时期㊁来压期间，支架安全系数分别为２．７２４㊁１．３６３，且支架可回收重复利用㊂研究成果为大倾角煤层无煤柱开采提出了一种新的方法㊂关键词：大倾角煤层；沿空留巷；弓形柔性掩护支架
中图分类号：ＴＤ３５３㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：０２５３－２３３６（２０２１）０３－００３７－０６
Ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｂｏｗ－ｓｈｉｅｌｄ－ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒ
ｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇｉｎｈｉｇｈｌｙｉｎｃｌｉｎｅｄｓｅａｍ
ＳＨＥＮＰｉｎｇ１，ＪＩＡＮＧＹｏｎｇｄｏｎｇ２，ＹＡＮＧＱｉｊｕｎ１，ＺＯＵＹｏｎｇ１，ＸＩＥＹｉｎｇｌｉａｎｇ２，ＬＩＧｕａｎｇ１
（１．ＳｉｃｈｕａｎＣｈｕａｎ－ＣｏａｌＳｈｉｄｏｎｇｇｏｕＣｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｙＬｉｍｉｔｅｄＬｉａｂｉｌｉｔｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｗａｎｇｃａｎｇ㊀６２８２１１，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙｌａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｏｆ
ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＤｉｓａｓｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ㊀４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２０２０－１０－１９；责任编辑：朱恩光基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１５７４０４９）
作者简介：沈㊀平（１９６４ ），男，四川犍为人，高级工程师㊂Ｅ－ｍａｉｌ：３８３６９３１５４＠ｑｑ．ｃｏｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅｅｐｌｙｄｉｐｐｉｎｇｃｏａｌｓｅａｍａｃｃｏｕｎｔｓｆｏｒ１５％ ２０％ｏｆＣｈｉｎａ ｓｔｏｔａｌｃｏａｌｒｅｓｅｒｖｅｓ．ＩｎｗｅｓｔｅｒｎＣｈｉ
ｎａ，ｍｏｒｅｔｈａｎ５０％ｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｓｂｅｌｏｎｇｔｏｓｔｅｅｐｌｙｄｉｐｐｉｎｇｃｏａｌｓｅａｍ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇｉｎｓｔｅｅｐｌｙｄｉｐｐｉｎｇｃｏａｌｓｅａｍ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｄｅｖｅｌｏｐｎｅｗｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ τ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｏｆｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎｌａｒｇｅｉｎｃｌｉｎｅｄｃｏａｌｓｅａｍｍｉｎｉｎｇ，ｔｈｅｂｏｗｆｌｅｘｉ⁃
ｂｌｅｓｈｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔｗａｓｉｎｖｅｎｔｅｄａｎｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅＮｏ．３１３２１ｌａｒｇｅｉｎｃｌｉｎｅｄｃｏａｌｆａｃｅｏｆＳｈｉｄｏｎｇｇｏｕＣｏａｌＭｉｎｅ．Ｔｈｅｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ，ｔｈｅｃｏａｌｌｏｓｓｗａｓｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｏｗ－ｓｈａｐｅｄｆｌｅｘｉｂｌｅｓｈｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｓｏｆｔｎｅｓｓ，ｔｈａｔｉｓ，ｔｈｅｓｉｎｇｌｅｓｕｐｐｏｒｔｈａｓｌａｒｇｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｃａｎｗｉｔｈｓｔａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｔｈｒｕｓｔｏｆｇａｎｇｕｅｉｎｔｈｅｃａｖｉｎｇｚｏｎｅ，ｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｃａｎｍｏｖｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙａｎｄｈ
ａｓｆｌｅｘｉｂｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｅｌｄｔｅｓｔ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｂｏｗｆｌｅｘｉｂｌｅｓｈｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔｒｅｔａｉｎｓｔｈｅｒｏａｄｗａｙａｌｏｎｇｔｈｅｇｏａｆ，ｇｉｖｉｎｇｆｕｌｌｐｌａｙｔｏｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｓｈｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔ．Ｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｂｅａｒｓｌｅｓｓｒｏｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｄｏｅｓｎｏｔｂｅｎｄｄｏｗｎｗａｒｄｓｏｒｂｒｅａｋ．Ｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｍｅｄｂｙｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｔｈｅｃｏｍｐａｃｔｅｄｃａｖｉｎｇｚｏｎｅｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｎｏｒｍａｌｐｅｒｉｏｄａｎｄｔｈｅｗｅｉｇｈｔｉｎｇｐｅｒｉｅｄ，ｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｓ２．７２４ａｎｄ１．３６３ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｃａｎｂｅｒｅｃｙｃｌｅｄａｎｄｒｅｕｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒ
ｎｏｎ－ｐｉｌｌａｒｍｉｎｉｎｇｉｎｓｔｅｅｐｌｙｄｉｐｐｉｎｇｃｏａｌｓｅａｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｐｌｙｄｉｐｐｉｎｇｃｏａｌｓｅａｍ；ｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇ；ｂｏｗｆｌｅｘｉｂｌｅｓｈｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔ
０㊀引㊀㊀言
大倾角煤层是指埋藏倾角为３５ʎ ５５ʎ的煤层，
占我国煤炭总储量的１５％ ２０％，年产量占煤炭总产量的１０％㊂在我国西部，５０％以上的煤矿属于大倾角煤层，其中四川省煤炭产量的４０％ ５０％来自
７
３
２０２１年第３期煤炭科学技术第４９卷
于大倾角煤层㊂我国煤矿以地下开采为主，回采巷道长度约占巷道总长的６０％［１－３］，长期以来，绝大部分采区巷道采用留煤柱护巷，导致煤炭损失量巨大，约占全矿煤炭损失总量的４０％左右［４，５］㊂随着煤矿开采不断向深部延伸，地应力增加，护巷煤柱宽度越留越大，煤炭采出率大幅降低，巷道维护难度增大㊂沿空留巷一般可使煤炭采出率提高１０％ ２０％，因此，采用沿空留巷技术，对实现一巷两用，提高煤炭采出率，延长矿井服务年限等具有重要意义［６－８］㊂在使用煤矿沿空留巷技术的国家中，英国多采用高水材料进行巷旁充填，德国多采用低水材料进行巷旁充填，波兰多采用金属可缩性支架，总体而言，巷旁支护多使用充填带㊁矸石带或混凝土墩柱等［９－１１］㊂目前，我国巷旁支护主要有：矸石装袋堆码支护，支护强度低㊁效果差；混凝土墩柱护巷，墩柱之
间的矸石易滚动，造成巷道封堵；砌筑预制混凝土块墙支护，施工效率较低，墙体受力不均，产生不同程度的破坏；柔模沿空留巷，适用于变形小的硬岩巷道，不适用大变形的软岩巷道，施工过程影响采煤；泵送胶结充填支护，支护效果好，但成本偏高［１２－１４］㊂巷旁支护作为沿空留巷的一大难题，在我国还没有得到很好地解决［１５－１７］，因此，还需研发经济效益更高㊁支护效果更好㊁施工效率更高的沿空留巷技术，笔者发明了弓形柔性掩护支架沿空留巷技术，在川煤集团石洞沟煤矿成功应用，取得了显著的社会㊁经济效益，实现了大倾角煤层沿空留巷安全㊁经济㊁快速的巷旁支护㊂
１㊀石洞沟煤矿概况
石洞沟煤矿属于川煤集团，位于四川省广元市旺苍县三江镇，采用平硐＋斜井开拓方式，矿井生产能力３０万ｔ／ａ，属于低瓦斯矿井㊂矿井划分２个水平，＋５１５ｍ水平已基本开采完毕，＋３００ｍ水平划分为２个采区，主石门以东为３２采区，走向长２３００ｍ，以西为３１采区，走向长２０００ｍ㊂矿井可开采煤层共４层（Ｋ１０㊁Ｋ１１㊁Ｋ１２㊁Ｋ１３），Ｋ１３煤层是３１采区主采煤层，顶底板岩性见表１，全区可采，目前矿井正在开采Ｋ１３煤层３１３２１工作面，采用俯伪斜柔性掩护液压支架支护工作面，应用弓形柔性掩护支架沿空留巷技术㊂工作面走向长度９１５ｍ，伪倾斜长度１３０．６ｍ，工作面伪倾角３０ʎ，采高３ｍ㊂
Ｋ１３煤层厚度稳定，煤层厚度２．６１ ３．６８ｍ，普氏系数２ ３，走向长４６６０ｍ，煤层走向２６５ʎ，倾角５２ʎ ６０ʎ，平均５８ʎ㊂煤层顶板多为泥岩㊁灰质泥岩㊁钙质粉砂岩，底板为泥岩㊁粉砂岩㊂
表１㊀Ｋ１３煤层顶底板岩性
Ｔａｂｌｅ１㊀ＬｉｔｈｏｌｏｇｙｏｆＫ１３ｃｏａｌｓｅａｍｒｏｏｆａｎｄｆｌｏｏｒ
顶底板岩性厚度／ｍ岩性特征
基本顶粗粉砂岩６．６３ １２．４１灰色中厚层中粒砂岩，抗
拉强度８．５ＭＰａ，单轴抗
压强度１２０ＭＰａ直接顶泥岩０．０３ ０．７２黑色泥岩含菱铁矿结核直接底含砂泥岩０．１０ ０．７０含砂质泥岩
基本底细粒砂岩３．９０ １２．４０灰白色细砂岩，抗拉强度
９．１ＭＰａ，单轴抗压强度
１２６ＭＰａ
２㊀弓形柔性掩护支架设计
２．１㊀支架结构设计与加工工艺
弓形柔性掩护支架如图１所示，由上臂支撑梁㊁腰背承压梁㊁稳架脚梁㊁承压稳固销㊁加强筋板㊁抗压加强筋板㊁组架压绳板以及方脚承压板８个部分组成，刚度高，有很强的抗弯能力㊂支架参数：上臂支撑梁长１６００ｍｍ，腰背承压梁长１６００ｍｍ，稳架脚梁长１３００ｍｍ，上臂支撑梁和腰背承压梁夹角１３５ʎ，腰背承压梁与稳架脚梁夹角１３５ʎ，支护高度２４３１ｍｍ㊁宽度２７３１ｍｍ㊁斜长３５００ｍｍ㊂
图１㊀弓形柔性掩护支架结构
Ｆｉｇ．１㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂｏｗｆｌｅｘｉｂｌｅｓｈｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔ
掩护支架采用１１号矿用工字钢，工字钢宽９０ｍｍ，高１１０ｍｍ，螺栓型号为ø１４ｍｍˑ７０ｍｍ㊂支架上臂支撑梁和腰背承压梁㊁腰背承压梁和稳架脚梁连接豁口处双层焊，另采用加强筋板（长２００ｍｍ，宽５０ｍｍ，厚８ｍｍ）焊接在豁口处，双面焊接；上臂支撑梁和腰背承压梁，腰背承压梁和稳架脚梁内槽两面连接豁口处采用抗压加强筋板满焊，两边抗压加强筋板穿承压稳固销，双层
焊接；工字钢先切割再钻孔㊁后冷弯再焊接，焊接全部采用满焊，在工字钢
８３
沈㊀平等：大倾角煤层沿空留巷弓形柔性掩护支架控制技术２０２１年第３期
内槽焊接处用厚１０ｍｍ钢板加固㊂支架焊接处结构如图２所示㊂支架底部方脚承压板（长１５０ｍｍ，宽９０ｍｍ，厚８ｍｍ），呈弯曲状满焊焊接在稳架脚梁上㊂焊接要求：焊接无裂纹，无夹渣，无气孔，表面光滑，焊接后调质㊂稳架脚梁保持垂直，上臂支撑梁水平
㊂搜狗兼容模式
图２㊀支架焊接处结构
Ｆｉｇ．２㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｔｅｎｔｗｅｌｄ
２．２㊀支架安装方法
３１３２１采煤工作面运输巷道断面为异形结构的
六边形，巷道宽４．２ｍ㊁高３．４ｍ，高帮高为２．２ｍ，矮帮高为１．０ｍ，断面积１１ｍ２
，采用锚杆＋锚索＋Ｗ型
钢带联合支护，原巷道邻采空区一侧，因采动影响破坏，采用弓形柔性掩护支架沿空留巷，可以支撑和掩护巷道邻采空区一侧的破碎岩体㊂工作面前方每隔
５ｍ预留１个超前溜煤眼位置，溜煤眼宽度０．８ｍ，用于工作面推采后溜煤㊂弓形柔性掩护支架安装如图３所示，现场安装如图４所示，支架安装方法：支架间隙２００ｍｍ，支架下肢安装在巷道底板上，支架的上肢紧贴巷道顶板，支架背面用木板㊁竹笆插严背实，防止采空区冒落的岩块滚入巷道㊂每根支架用４组（８根）ø２６ｍｍ钢丝绳配夹板㊁螺栓进行连接，图３㊀沿空留巷支架安装示意
Ｆｉｇ．３㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｔｅｎｔｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｉｎ
ｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇ
将所有支架连接在一起，形成刚柔并举的连续墙，保持良好的工作特性，确保巷道岩体稳定㊂
弓形柔性掩护支架至尾部在用溜煤眼的距离不得小于５ｍ，最末１根支架以东１０ｍ范围内安装双排单体液压支柱进行加强支护，１０ ２０ｍ安装单排单体液压支柱进行加强支护，单体液压支柱的间㊁排距为１ｍ，超前支柱必须 穿鞋 ㊁ 戴帽
㊂
图４㊀弓形柔性掩护支架现场安装
Ｆｉｇ．４㊀Ｆｉｅｌｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｂｏｗｆｌｅｘｉｂｌｅｓｈｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔ
３㊀弓形柔性掩护支架受力分析
大倾角煤层开采上覆岩层移动如图５所示，基于基本顶断裂形成 厂 型弯曲的岩层移动结构㊂直接顶随支架移动产生冒落，在自重的作用下沿底板向下滚动，形成垮落带，垮落带在采空区内由下至上形成密实程度不同的三带：Ⅰ带在采空区下部，冒落矸石滚动冲击堆积已全部密实，并与处于悬臂梁的基
本顶构成一体，对顶板起到一定的支承作用；Ⅱ带在采空区中下部，冒落矸石滑移堆积不密实，与基本顶断口塔接，存在一些空隙，与基本顶未构成一体，对顶板支承作用较小；Ⅲ带在采空区上部，采空区基本呈不规则的拱状或楔状悬空空间，大部分空间无矸石充填，对基本顶无支承作用㊂
基于大倾角煤层开采上覆岩层 厂 型结构，弓形柔性掩护支架力学分析如图６所示㊂煤层顶板压力ｑ１，即弓形柔性掩护支架顶梁的压力，基本顶初次来压和周期来压时取值为８Ｍｒ１；正常时期和沿空深圳无房产证明
留巷处于重新压实区时取值为４Ｍｒ１，公式如下：
ｑ１＝４Ｍｒ１ ８Ｍｒ１（１）式中：ｑ１为煤层顶板压力，ｋＰａ；Ｍ为煤层平均采高，ｍ；ｒ１为岩体容重，ｋＮ／ｍ３㊂
弓形柔性掩护支架斜面压力ｑ７计算公式为
ｑ７＝ｑ２＋ｑ５＝ｑ１ｓｉｎα＋ｑ４ｓｉｎα＝８Ｍｒ１ｓｉｎα＋ｒ２Ｈｓｉｎα
（２）
式中：ｒ２为垮落带岩块容重，ｋＮ／ｍ３；Ｈ为垮落带岩块堆积高度，ｍ㊂
９
３
２０２１年第３期煤炭科学技术第４９
卷
ａ㊁ｂ㊁ｃ㊁ｄ 断裂带的范围；Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ 根据密实程度将直接顶形成的垮落带划分三带，分别为密实㊁松散堆积㊁拱状悬空带
图５㊀大倾角煤层开采上覆岩层 厂 型移动形态
Ｆｉｇ．５㊀ τ ｔｙｐｅｍｏｖｅｍｅｎｔｐａｔｔｅｒｎｏｆｏｖｅｒｌｙｉｎｇ
ｓｔｒａｔａｉｎｓｔｅｅｐｌｙｄｉｐｐｉｎｇｓｅａｍｍｉｎｉｎｇ
ｑ１ 煤层顶板压力；ｑ２ ｑ１沿切向的分力；ｑ３ ｑ１沿法向的分力；ｑ４ 垮落带压力；ｑ５ ｑ４沿切向的分力；ｑ６ ｑ４沿法向方向的分力；ｑ７ 支架斜面压力；ｑ８ 支架侧面压力；Ｑ１ 支架顶梁受力；Ｑ７ 支架斜面受力；Ｑ８ 支架侧帮受力；Ｆ０ 巷道底板作用给支架的水平推力；Ｆ１ 巷道帮作用给支架的水平推力；Ｆ２ 巷道底板作用给支架的反力；Ｆ３ 巷道底板作用给单体支柱的反力；α 煤层倾角；β 支架斜面倾角图６㊀弓形柔性掩护支架力学分析
Ｆｉｇ．６㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｂｏｗｆｌｅｘｉｂｌｅｓｈｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔ
弓形柔性掩护支架侧面压力ｑ８计算公式为
ｑ８＝λｑ４＝λｒ２Ｈ（３）式中：λ为侧压系数㊂
３１３２１采煤工作面的区段运输巷采用沿空留巷，作为下一个工作面的回风巷，采用弓形柔性掩护支架护巷，支架间距０．２ｍ，支架设计参数为：顶梁长度１．６ｍ㊁斜面长度１．６ｍ㊁帮高度１．３ｍ，支架斜面倾角β为４５ʎ，沿空留巷后巷道宽度２．７３１ｍ㊁高度２．４３１ｍ，净断面积约７ｍ２，则顶梁㊁腰背承压梁㊁稳架脚梁的压力为
Ｑ１＝１．６ａｑ１，Ｑ７＝１．６ａｑ７，Ｑ８＝１．３ａｑ８（４）式中：ａ为支架间距，取０．２ｍ㊂
根据力㊁力矩平衡方法，柔性掩护支架支撑反力Ｆ０㊁Ｆ１㊁Ｆ２，单体支柱支撑反力Ｆ３分别为
适合演讲的文章
Ｆ０＋Ｆ１＝Ｑ７ｓｉｎβ＋Ｑ８
Ｆ２＋Ｆ３＝Ｑ７ｃｏｓβ＋Ｑ１２．７３１Ｆ３＋２．４３１Ｆ１＝１．９３１Ｑ１＋１．７１９Ｑ７＋０．６５Ｑ８１．６Ｆ０＋０．８Ｑ７＋１．９３１Ｑ１＝０．６５Ｑ８＋２．７３１Ｆ３＋１．３１Ｆ１ì
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（５）通过化简，则Ｆ０㊁Ｆ１㊁Ｆ２㊁Ｆ３表达式为
Ｆ０＝１．４３８７Ｑ７－０．０３４５Ｑ８
Ｆ１＝１．０３４５Ｑ８－０．７３１７Ｑ７
Ｆ２＝０．２９２９Ｑ１－０．５７３７Ｑ７＋０．６８２８Ｑ８
Ｆ３＝０．７０７１Ｑ１＋１．２８０７Ｑ７－０．６８２８Ｑ８
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云南有多少个少数民族（６）
若无单体支柱支护，即Ｆ３＝０，则Ｆ０㊁Ｆ１㊁Ｆ２表达式如下
Ｆ０＝０．７３３Ｑ８－０．７９４Ｑ１
Ｆ１＝０．７９４Ｑ１＋０．７０７Ｑ７＋０．２６７Ｑ８
Ｆ２＝Ｑ１＋０．７０７Ｑ７
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（７）
根据材料力学，受均匀荷载工字钢支架的拉压强度σ为
杏花烟雨σ＝ＭｙＪ＝３ｑｌ２４ｂｈ２＝３７４．３ＭＰａ（８）
式中：Ｍ为最大弯矩；ｙ为任意一点到中性轴的距离；Ｊ为断面惯性矩；ｑ为均布荷载；ｌ为梁的长度；ｂ为１１号矿用工字钢的宽，取９０ｍｍ；ｈ为１１号矿用工字钢的高度，取１１０ｍｍ㊂
受均匀荷载工字钢的挠度ω为
ω＝５ｑｌ４３８４ＥＪ＝２５．２ｍｍ（９）
式中：Ｅ为工字钢的弹性模量，１１号工字钢Ｅ取２０６ＧＰａ㊂
已知Ｍ＝３．２４ｍ，ｒ１＝２４ｋＮ／ｍ３，α＝５５ʎ，Ｈ＝１３ｍ，ｒ２＝２３ｋＮ／ｍ３，λ＝０．４３，ａ＝０．２ｍ，β＝４５ʎ㊂计算得到ｑ１＝６２２．１ｋＰａ，ｑ７＝７５４．５ｋＰａ，ｑ８＝１２８．６ｋＰａ，Ｑ１＝１９９．１ｋＮ，Ｑ７＝２４１．４ｋＮ，Ｑ８＝３３．４ｋＮ，Ｆ０＝３４６．２ｋＮ，Ｆ１＝－１４２．１ｋＮ，Ｆ２＝－５７．４ｋＮ，Ｆ３＝４２７．１ｋＮ；当支架无单体支柱支撑，则Ｆ３＝０时，则Ｆ０＝－１３３．６ｋＮ，Ｆ１＝３３７．７ｋＮ，Ｆ２＝３６９．８ｋＮ㊂
舒适造句１１号矿用工字钢的拉压强度为５１０ＭＰａ，得出支架正常时期和沿空留巷处于重新压实区工字钢支架的拉压强度为１８７．２ＭＰａ，安全性系数为２．７２４㊂基本顶初次来压和周期来压时工字钢支架的拉压强度为３７４．３ＭＰａ，安全性系数为１．３６３，因此支架能承受围岩压力，可控制围岩的变形，是安全可靠的㊂
０４
沈㊀平等：大倾角煤层沿空留巷弓形柔性掩护支架控制技术２０２１年第３期
４㊀弓形柔性掩护支架护巷机理与应用效果
根据煤层顶板岩层断裂结构与力学分析，弓形柔性掩护支架上臂支撑梁承受顶板压力ｑ１，将压力传递给单体支柱，支柱支撑力为Ｆ３；腰背承压梁承受的压力ｑ７为断裂带传递给Ⅰ带的压力ｑ２与Ⅰ带㊁Ⅱ带岩块的自重ｑ５之和，压力传递给支架，巷道帮围岩提供支撑力Ｆ１；稳架脚梁承受一部分顶板压力和垮落带岩块的水平压力ｑ８，支架的支撑力Ｆ２㊂在矿山压力的作用下，垮落带Ⅰ带的矸石已被压密实，能有效支撑基本顶压力，与弓形柔性掩护支架形成的组合体安全控制了沿空留巷的稳定性，整个支护系统具有刚柔并举的功能，即单根支架刚度大，能承受高的压力，通过钢丝绳串连起来的支架，在垮落带矸石的推力的作用下，支架系统可整体水平移动，上臂支撑梁插入巷道帮围岩中，增强了支架水平方向的抗压能力，最终实现 稳架 功能，达到安全护巷目的㊂
３１３２１采煤工作面走向长度９１５ｍ，全部采用弓形柔性掩护支架系统将区段运输巷保留下来，实现了沿空留巷和无煤柱开采，充分发挥了支架的支撑和掩护作用，在工作面回采期间，支架无断裂㊁弯曲变形，焊接处完好，巷道平直㊂实践表明，大倾角煤层开采应用弓形柔性掩护支架沿空留巷是安全的㊁可行的，而且支架可回收重复利用，经济效益显著㊂５㊀结㊀㊀论
１）针对大倾角煤层沿空留巷难题，发明了弓形柔性掩护支架护巷方法，并在四川煤业集团石洞沟煤矿成功应用，实现了大倾角煤层沿空留巷安全㊁经济㊁快速地巷旁支护㊂
２）垮落带与弓形柔性掩护支架形成的组合体具有刚柔并举的功能，能充分发挥支撑和掩护作用，支
撑顶板压力，掩护采空区冒落的大量岩块，降低岩块滚落的冲击力，正常时期㊁来压期间，支架安全系数分别为２．７２４㊁１．３６３，确保沿空留巷围岩的稳定性与安全㊂
３）针对煤层的赋存条件和矿山压力显现特征，使用过程中建议进一步优化弓形柔性掩护支架结构参数和加工工艺，设计出更安全㊁可靠的支架㊂
参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：
et文件
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