沿空掘巷技術在4310皮帶順槽的應用

周業亭，郭振忠

淄博礦業集團有限責任公司許廠煤礦，山東濟寧 272173

1 4310皮帶順槽的地質概況

許廠煤礦是山東能源淄礦集團的主要礦井之一，為了解決接續問題和盡可能提高回采率，準備在4310皮帶順槽實施沿空掘巷，4310皮帶順槽西鄰530輔助回風巷，東鄰已回采的4308面。

巷道設計長度為772m，該巷道在下二迭統山西組3下煤層及其頂、底板中施工。煤層黑至灰黑色，瀝青、油脂光澤，碎塊狀至條帶狀結構，半亮型，以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤條帶。

內生裂隙發育，充填少量鈣質和黃鐵礦薄膜，煤層沉積穩定，結構較簡單，局部有夾矸，夾矸最大厚約0.3m，煤層厚度變化不大，一般在3.8m～4.2m之間，平均3.9m，沿掘進方向煤層傾角為-6°～+3°，平均+2°。

2 預留保護煤柱寬度的確定

因4310皮帶順槽東側為4308工作面采空區，通過對4310皮帶順槽地質條件分析，根據沿空掘巷的礦壓顯現規律，需確定煤柱的合理寬度以便進行巷道支護。

根據我礦多次沿空掘進觀測資料表明，沿空掘巷時，一般頂板的位移量變化不大，通常在300mm以下，但巷道兩側近頂板處位移量明顯有較大的差異，一般沿采空區一側大于實煤區一側；沿空巷兩幫向巷道內的水平移動也明顯不同，說明巷道兩幫側壓也不同，多數情況下是實煤側大于采空側；此外多數巷道的兩側頂壓也不同，一般是靠采空側頂壓大而靠煤體側小。

由于煤體邊緣存在低壓區，沿采空區側掘巷時，煤柱較小對巷道圍巖穩定較為有利，我們利用4310皮帶順槽地應力分布特征，采用煤（巖）體表面相對位移監測方法，數值模擬了4308工作面采過、穩定以后，預留不同寬度的煤柱對4310皮帶順槽的施工存在的影響情況。

當煤柱過小（小于2.5 m）時，由于工作面采動后影響，使圍巖較為破碎，而錨桿錨固力較小支護不住煤體；當煤柱寬度大于6 m后，隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖應力也會變大，兩幫位移量跟著變大；因此為使沿空巷道較易維護，煤柱寬度以5.0m最為有利，所以將4310皮順保護煤柱寬度確定為5.0 m。

3 支護設計

沿空掘進時，為防止采空區向巷道竄矸或是采空區積水和有毒有害氣體進入巷道，在4310皮帶順槽和4308采空區之間預留5m的煤柱，掘進過程中無明顯壓力，某些地段可能有水滲出，但不影響掘進，局部可能會有擠幫現象出現。

除了在在支護參數和材料進行優化設計以外，還需要使實際巷道掘進寬度比設計寬度兩幫各多出200mm，這樣即使擠幫的情況發生，也不影響巷道的正常使用，不需要花費更多的人力、物力、財力進行巷修。

3.1 支護材料參數設計

3.1.1 頂錨桿參數確定

1）頂板兩側錨桿長度的確定

頂板兩側錨桿長度的確定原則是：使其錨固端水平投影伸入兩幫內0.5m以上，以保證受到兩幫煤體的有效支撐，從而實現巷道頂部載荷向兩幫轉移，按下式計算：

式中：

L-傾斜錨桿長度；

L1-要求錨固端水平投影伸入煤體內的距離，取L1=0.5m；

L2-傾斜錨桿下端到煤壁的水平距離，取L2=0.3m；β-傾斜錨桿水平面夾角，取β≥75°；

L3-額定錨固長度，取L3=1.0m；

L4-錨桿外露長度，取L4=0.1。根據錨桿系列長度，取頂板錨桿長度為2.4m。

2）頂錨桿直徑校驗

按桿體強度與錨固力相匹配的原則確定桿體直徑。額定錨固力為：

式中：

Φ孔-錨桿孔徑，取27mm；

σ′-錨固劑與孔壁之間的粘結強度：取1.45MPa；

L錨—錨固劑長度，取1 000mm；桿體采用20MnSi高強度全螺紋鋼錨桿材料，其直徑應滿足π×d2×σs/4≥P錨，則

式中：

d-錨桿桿體直徑；

σs-桿體屈服強度，取540N/mm2；

根據錨桿系列直徑取d=18mm。

3）頂錨桿間排距

根據全煤巷道錨桿支護經驗和巷道寬度及服務年限，確定錨桿間距為0.9m。

錨桿排距L排應滿足：

L排 =n×N/[ 2K×r×B×（L-L4）] =5×85/[2×5×2.5×4.2×（2.4-0.1）] =1.76m

式中：

n-每排錨桿棵數，取5條；N-每棵錨桿錨固力，取85kN；K-安全系數，取5；r-頂板巖層容重，取2.5t/m3；B-巷道荒寬，取4.2m；L-錨桿長度，取2.4m；L4-錨桿外露，取0.1m；根據以往施工經驗，結合上式計算，取L排=0.9m。

3.1.2 幫錨桿參數確定

1）幫錨桿長度

幫=L1+L2+L3=0.827+0.5+0.1=1.427m

式中：

L1-兩幫潛在松塌區寬度，L1=h×tg（45-Ψ/2）=3.6×tg（45-63.4/2）=0.85m；

L2-幫錨桿的額定錨固長度，取0.5m；L3-幫錨桿外露長度，取0.1m；

根據錨桿系列長度，取幫錨桿長度為1.8m。

2）幫錨桿桿體直徑校核

幫錨桿選用20MnSi高強度全螺紋鋼錨桿，幫錨桿錨固力初步確定為85kN，選用一支樹脂錨固劑。計算幫錨桿直徑，幫錨桿桿體直徑應滿足額定錨固力要求。

即：

式中：

d-錨桿桿體直徑；

σs-桿體屈服強度，取540N/mm2；

根據錨桿系列直徑取d=18mm。

3）幫錨桿間排距

為滿足均勻壓縮帶即：“擋固層”有一定厚度的要求，則錨桿間距應滿足：D≤2（L幫-L3）/3=2（1.8-0.1）/3=1.13m

為便于施工，幫錨桿間距取1.0 m；幫錨桿排距與頂錨桿相同，取0.9m。

3.1.3 錨索補強加固參數

根據錨索支護機理，其參數設計可參照錨桿懸吊理論進行計算，巷道頂板潛在破壞范圍如前述，錨索補強支護是把這個范圍的煤巖層錨固到其上部的穩定巖層中即可。

1）錨索最小長度Lmin=Lx+Lm+Lw=6.01+1.0+0.2 =7.21m

其中：

Lx-錨索懸吊頂板巖石的厚度；h1-頂煤平均厚度；h2-上部考慮偽頂厚度，取0m；h3-直接頂厚度，取2.71m；Lx=h1+h2+h3=3.3+2.71=6.01m；

Lm-鋼鉸線錨固長度，取1.0m；Lw-錨索漲緊后所需外露長度，取0.2m。

根據已有生產經驗，錨索線最小長度為8m，在施工中根據老頂層位及巖性變化及時進行修定。

2）錨索間距D

錨索間距D應小于錨索長度的一半即：

D＜Lmin/2=3.6m；

考慮巷道寬度B=4.2m，取錨索間距為1.8m，每組錨索布置兩條。

3）錨索排距D'

根據類似巷道掘進經驗，考慮現場施工方便，取D'=1.8m。

巷道永久支護每隔一排錨桿排打設一排錨索排加強支護。

3.2 支護參數確定

根據4310皮帶順槽支護情況和地質條件，用工程類比法進行4310皮帶順槽支護參數設計，以巷道維護效果好、支護成本低、施工速度快為原則確定支護參數：

1）錨桿：頂板采用左旋高性能螺紋鋼錨桿規格為Φ20mm×2400mm，錨桿間排距為900mm×900mm，頂板錨桿必須使用配套的金屬墊圈和塑料減磨墊圈；兩幫采用20MnSi高強度全螺紋鋼錨桿，規格為Φ18mm×1800mm，兩幫錨桿間排距均為1000mm×900mm；

2）螺母：頂板錨桿螺母采用與錨桿配套的專用緩沖螺母和減磨墊圈，兩幫錨桿螺母采用M18鑄鋼螺母；

3）錨固劑：頂、幫錨桿每條均使用2塊MSCK23/50樹脂錨固劑固定；

4）金屬網：頂板、兩幫均采用10#鐵絲編制而成的網孔50mm×50mm的菱形金屬網搭接使用；

5）T型鋼帶、異型鋼帶： 頂板均使用T型鋼帶，規格為3800mm×100mm×10mm，兩幫異型鋼帶采用卷邊厚度6mm、中間4mm的型材制作，規格為長×寬=2600mm×80mm；

6）托盤：頂板錨桿托盤采用規格為160mm×100mm×10mm的T型鋼制作，兩幫錨桿托盤采用鋼板沖壓制作，規格為120mm×120mm×10mm；

7）錨索：錨索鋼鉸線采用Φ17.8mm的低松馳預應力左旋鋼鉸線，其長度不低于8 000mm，使用1塊MSCK23/50樹脂錨固劑和3塊MSK23/50樹脂錨固劑固定，配套鎖具型號為QLKM19單孔錨索索具，錨索線托盤采用鋼板制作，規格為長×寬×厚=90mm×80mm×8mm。

4 巷道礦壓觀測方案

為觀測巷道在掘進期間、掘后穩定期間及受工作面采動影響期間圍巖的活動規律及支護效果，獲得沿空掘進圍巖變化的資料，我們在巷道掘進過程中設置相應的觀測點，對巷道的各個參數情況進行科學觀測。

一般情況下，每隔100m距離（在巷道壓力較大地點，每隔30m～50m距離）在巷道頂板安設一個頂板離層觀測儀；頂板離層儀從安裝完畢到距離掘進工作面50m期間安排專人每班測讀一次。

距掘進工作面50m后，單位時間下沉量大于10mm/周時，每兩天測讀一次；5mm/周時～10mm/周時，每半月測讀一次；小于5mm/周時每月測讀一次，并將測讀結果記錄好，整理后記錄到臺帳上。

對于復雜地段如斷層及圍巖破碎帶、應力集中區、頂板淋水區、裂隙發育區、巷道穿層地段、瓦斯異常區、大斷面、大跨度巷道等地段除安設頂板離層儀外，同時，標設檢測點，每組四個，一般情況下把點設置在錨桿頭，每隔10m一組，每天觀測一次，記錄觀測巷道的頂、底板及兩幫位移量。

在頂板總下沉量超過30mm時應加強觀測，總下沉量超過巷道頂板離層臨界值50mm時，應補打錨索，采取加強支護措施。

5 結論

采空區對巷道的支護影響是比較大的，與普通巷道比較，支護相對困難，通過對支護材料及參數的優化，使4310皮帶順槽沿空掘進安全順利的完成了施工，既保證了安全生產，又加快了掘進速度，解決了我礦生產接替緊張問題，提高了資源回收率，增加了經濟效益。

[1]張貴山.沿空留巷護巷材料的選擇[J].礦山壓力與頂板管理，1984.

[2]張洪鵬，曹忠，江兆利.復合軟巖頂板、松軟煤層沿空掘巷理論探討[D].2005年度山東煤炭學會優秀學術論文集，2005.