極近距離煤層采空區(qū)下順槽巷道掘進與支護技術(shù)

王 忠

（山西焦煤西山煤電遼源煤業(yè)有限公司，山西 太原 030053）

引言

山西焦煤西山煤電遼源煤業(yè)有限公司位于古交市馬蘭鎮(zhèn)南家山村附近，屬于兼并重組礦井、高瓦斯礦井，設計生產(chǎn)能力60 萬t/年，重組后井田面積為1.985 km2，井田結(jié)構(gòu)相對簡單。主斜副立開拓方式，現(xiàn)有井筒4 個，批準開采煤層太原組2～9 號煤層，現(xiàn)采8、9 號煤層，開采水平+670 m，煤層自燃傾向性為自燃，水文地質(zhì)類型中等。以前待8 號煤采空區(qū)穩(wěn)定后，9 號煤工作面兩順槽支護主要采用工字鋼棚支護，工人勞動強度大、運輸量大、準備時間長、采掘銜接緊張。為改變支護形式、提高巷道掘進速度、提高采掘效率，研究9 號煤層順槽采用錨桿（索）+金屬網(wǎng)+鋼帶聯(lián)合支護，改善巷道圍巖壓力，降低勞動強度[1-2]。

1 遼源礦三采區(qū)概況

遼源礦三采區(qū)位于井田中西部即F3 斷層以西，西部、南部、北部以井田邊界為界，上部為一采區(qū)；三采區(qū)東西長約1 470 m，南北長約2 200 m，9 號煤層可采區(qū)總面積約3.307 2 km2；三采區(qū)內(nèi)9 號煤層工業(yè)資源儲量為12 842 kt，生產(chǎn)能力按0.60 Mt/年。三采區(qū)8 號煤層平均煤厚度為0.97 m，9 號煤層平均煤厚度為3.25 m；9 號煤層工作面運輸、回風順槽均沿9號煤層底板掘進，為矩形斷面，運輸順槽尺寸為寬4.8 m、高2.8 m，斷面積13.5 m2，回風順槽寬4.5 m、高2.8 m，斷面積12.60 m2[3-4]。

2 順槽支護參數(shù)確定

由于考慮8、9 號煤層為近距離煤層，8 號煤層與9 號煤層層間距為1.79～3.49 m，平均2.83 m，為避開8 號煤層開采期間動壓影響9 號煤層巷道支護，設計9 號煤層順槽外錯7 m（中-中）布置；若8、9 號煤層距離3 m 以上，9 號煤層順槽支護采用錨桿（索）+金屬網(wǎng)+鋼帶聯(lián)合支護；若8、9 號煤層距離1.79～3.00 m，9 號煤層順槽支護采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼棚聯(lián)合支護；現(xiàn)將錨桿（索）相關(guān)參數(shù)計算如下。

2.1 錨桿支護參數(shù)確定

2.1.1 錨桿長度

根據(jù)錨桿作用機理和懸吊作用理論，錨桿施工長度計算如下：

式中：L 為錨桿長度，m；L外露為外露長度，m；L有效為有效長度，m；L錨固為錨固長度，m。

錨桿外露長度L外露=墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m，一般L外露取0.15 m。錨桿有效長度L有效的確定：在松散介質(zhì)及中硬以下巖石，以及小跨度地下空間，可以得用M.M.普羅托奇雅可諾夫的拋物形壓力拱理論估計冒落帶高度。

當f≥3 時：

當f＜3 時：

錨桿錨固長度L錨固的確定：按經(jīng)驗，L錨固=0.3～0.4 m。9 號煤層順槽頂錨桿長度L=0.15+1.18+0.3=1.63 m，取2.0 m；幫錨桿長度：L=0.15+0.54+0.3=0.99 m，取1.8 m。

2.1.2 錨桿間排距

根據(jù)每根錨桿懸吊載荷大小確定錨桿間a、排距b，即錨桿懸吊巖石載荷（G=abL2γ）小于或者等于錨桿的錨固力Q。考慮安全系數(shù)k 的情況下：Q≥kL2abγ，則：

式中：a、b 為錨桿間、排距，m；γ 為被懸吊軟弱巖平均容重，取25 kN/m3；k 為安全系數(shù)，一般取1.3～1.8；考慮到松軟巖層不穩(wěn)定，取1.8；L2為軟弱巖層厚度或冒落拱高度，取1.22 m；Q 為錨桿錨固力（以Φ20 mm 螺紋鋼計算，屈服強度σ屈=340 MPa）107 kN。

本次設計考慮到遼源礦方實際地質(zhì)條件，9 號煤層順槽幫、頂錨桿采用Φ22 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿時，運輸順槽間排距為900 mm、800 mm，回風順槽間排距為800 mm、800 mm[5-6]。

2.1.3 錨桿直徑的確定

按錨桿桿體承載力與錨固力等強度原則，確定錨桿直徑d錨桿公式為：

式中：Q錨固力為錨固力，取107 kN；σ1為桿體材料本身的抗拉強度，取520 MPa。錨桿直徑大于16.2 mm可滿足支護需要，按礦方支護經(jīng)驗頂、幫錨桿取Φ22 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿。

2.2 錨索支護參數(shù)的確定

2.2.1 錨索長度

式中：X外露為外露長度，取0.25 m；X軟弱巖層為潛在軟弱巖層高度，取2.5 m；X錨固為錨索錨固長度，取1.3 m。

將數(shù)值代入式（6）得X=4.05 m，取5.2 m。

式中：d鋼為鋼絞線直徑，取21.6 mm；fst為鋼絞線抗拉強度，取1 860 MPa；fcs為錨索與錨固劑的設計黏接強度，按10 MPa 計算。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（7）得：X錨固=1 279 mm。設計錨固長度1.3 m＞1.279 m。

2.2.2 錨索間距

遼源礦9 號煤層兩順槽巷道寬度分別為4.8 m和4.5 m，頂錨桿間距分別為900 mm 和800 mm，設計每排布置3 根錨索，間距分別為1 800 mm和1 600 mm。

2.2.3 錨索排距

根據(jù)錨桿失效時，上覆巖石重量需錨索承擔，來錨索數(shù)應滿足以下公式：

式中：N 為錨索數(shù)目，9 號煤層每排取3 根；K 為安全系數(shù)，取2；P斷為鋼絞線最低破斷力，取350 kN；W 為被懸吊巖石的自重，kN；B 為巷道掘進巷寬，m；D 為排距，m；∑h 為巖石厚度，取1.22 m；∑γ 為巖石平均容重，取25 kN/m3。

通過式（8），確定錨索排距應滿足以下公式：

將數(shù)值代入式（9）得D=2.8 m。

結(jié)合遼源礦地質(zhì)條件和礦井支護經(jīng)驗及頂錨桿排距，9 號煤層兩順槽錨索排距為1 600 mm。

2.3 工字鋼棚支護確定

若8、9 號煤層距離1.79～3.00 m，9 號煤層順槽支護采用錨桿+金屬網(wǎng)+工字鋼棚聯(lián)合支護。根據(jù)煤層間距圖，8、9 號煤層距離1.79～3.00 m 開完后，采用錨桿+鋼網(wǎng)初次支護后，11 號工字鋼加木垛支護，及時維護圍巖，防止塌方、冒頂。巷道斷面特征表詳見表1。

表1 巷道斷面特征

3 應用效果分析

遼源煤業(yè)公司9 號煤層運輸（回風）順槽順槽頂錨桿采用Φ22 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿，間排距為800 mm、800 mm，長度1 800 mm（2 000 mm）；運輸（回風）順槽錨索采用Φ21.6 mm、長度為5 200 mm 的高強度預應力鋼絞線，錨索間排距為1 800 mm（1 600 mm）、1 600 mm，每排3 根。順槽采用上述支護方法后，掘進隊組由原來100 m/月提高到180 m/月采掘銜接順暢，有效控制圍巖變形，實現(xiàn)了很好的經(jīng)濟技術(shù)效果。

4 結(jié)論

在開采極近距離煤層時，由于相鄰煤層間距小，上層煤層的開采會對下層煤層的頂板進行一定的擾動，當上煤層開采完畢頂板垮落時會導致相鄰巷道布置及支護問題。為保證工作面的安全回采，結(jié)合遼源礦地質(zhì)條件和采掘工藝設計了回采順槽的錨桿（索）+金屬網(wǎng)+鋼帶聯(lián)合支護技術(shù)方案，實踐取得良好效果，有效控制了巷道圍巖變形嚴重問題，改善了巷道受力狀況，減少了巷道圍巖的變形量，保證了礦井工作面的安全回采。