厚煤層大采高大斷面沿空留巷技術研究與應用

魏凱

（山西西山晉興能源有限責任公司 山西太原 030053）

西山晉興斜溝礦18503 綜采工作面回采的8 號煤平均煤層厚度4.87 m,區段間留設20 m煤柱，為了提升礦井的煤炭資源回收率，有效解決采掘平衡，并防止因留設煤柱而引起的地表波浪形下沉狀況，經過論證確定在18503工作面材料順槽實施沿空留巷應用。而如何高效、安全解決巷道的支護問題是整個項目實施的重中之重。

1 工作面概況

18503 工作面在15 采區皮帶運輸大巷下山北側，北為礦界保護煤柱，相鄰晉保煤業扒樓溝礦，東、西方向兩側是實體煤區。地面標高950 m～1 208 m，工作面標高751 m～919 m，蓋山厚度183 m～381 m。切割長度300 m（平距中-中），可采長度6 793.5 m。該工作面煤厚2.5 m～5.36 m，平均厚度4.14 m，傾角7°～11°，平均9°。18503綜采工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

2 充填帶設計

根據類似礦井留巷的工程數據結果，為了保證充填墻體的穩定，順槽旁充填體寬度確定為采高的0.7倍[1]。18503材料順槽的凈掘高為3.6 m，打底后高度為3.4 m。

采高小于3.5 m 時，充填墻體的寬度為3.5×0.7=2.45 m，取值2.5 m。

采高大于3.5 m 時,同時機尾采高應控制在4 m 以下，充填帶寬度為4×0.7=2.8 m，取值3 m。

根據以上計算，確定充填帶寬度如表2所示。

表2 18503綜采工作面材料順槽充填帶寬度

3 巷道圍巖壓力計算

3.1 巷道頂部圍巖壓力

根據普氏理論，巷道頂部的壓力為：

式中Pv—巷道頂部壓力；

a—巷道寬度的一半，2.5 m；

γ—頂板巖體容重，取24 kN/m3；

a1—平衡拱寬度的一半，4.463 m；

H—巷道高度，3.4 m；

φ—煤體內摩擦角，取30°

f—普氏系數，取2。

通過數據計算得到巷道頂部圍巖壓力為239.8 kN/m2，在保證安全的前提下，工作面來壓時的動壓系數取2，則巷道頂部圍巖壓力為479.6 kN/m2。[2]

3.2 巷道側壓

根據普氏理論，巷道兩側的側壓值為：

式中：Ph—巷道側壓；

γ1—煤體容重，取15 kN/m3；

b—壓力拱高

通過數據計算得到巷道幫部圍巖壓力為66.8 kN/m2。在保證安全的前提下，工作面來壓時的動壓系數取2，則巷道頂幫圍巖壓力為133.6 kN/m2。

3.3 巷道底部壓力

根據普氏理論，巷道底部壓力為：

式中：P0—巷道底部壓力；

P—主動壓力與被動壓力之差，P=PA-PB；

PA—主動壓力

PB—被動壓力

y0—塑性變形極限深度，

通過數據計算得到巷道底幫圍巖壓力為13kN/m2。在保證安全的前提下，工作面來壓時的動壓系數取2，則巷道底幫圍巖壓力為26 kN/m2。

底幫由吸水而引起的膨脹壓力計算為：

式中：Ps—膨脹壓力，kPa；

h—埋深，取381m；

ω—巖石吸水率，取10%。

通過數據可得巷道底幫的膨脹壓力為710.75 kN/m2。把底幫膨脹壓力與根據普氏理論所得到的底幫壓力相加，則巷道底部壓力為736.75 kN/m2。

根據上面運算，沿空留巷順槽各部位的圍巖壓力如表3所示。

表3 沿空留巷順槽各部位的圍巖壓力

4 順槽加強支護設計

4.1 巷道頂部加強支護參數

根據表1 順槽圍巖壓力的數據計算可得，巷道頂幫的支護強度最小值為479.6 kN/m2。

目前煤礦常用的直徑為17.8 mm的錨索的抗拔力一般為32 t，因此為了安全，斜溝煤礦17.8mm 錨索的支護強度取30 t計算，即每根錨索支護強度為300 kN/m2。根據《采礦工程師手冊》，DZ35型單體液壓支柱額定工作阻力為250 kN，因此直徑為0.18 m 松木木支柱的極限支撐力為83 423 kN，由于松木某些部位存在強度弱化現象，則每根木支柱支撐力為200 kN/m2。[3]

采高大于3.5 m:

若巷道頂幫每排2 根錨索，錨索的排距2.2 m，則每平方米有錨索2/2.2=0.9根錨索；每排2根木支柱，木支柱排距1m；單體液壓每排3根，支柱排距0.8 m，則每平方米有3/0.8=3.75根單體液壓支柱。則每米巷道的頂幫支護強度為：

0.9×300+200×2+250×3.75=1607.5（kN/m2）

則巷道頂部支護的安全系數為：

1607.5/479.6=3.35

因此采高高度大于3.5 m時，沿空留巷順槽頂幫加強支護參數為：錨索每排2根，排距2.2 m；木支柱每排2根，排距1 m；單體液壓支柱每排3根，排距0.8 m。此時巷道頂幫支護的安全系數為3.35，可保證沿空留巷在18503工作面初次來壓時候的穩定。

采高小于3.5 m:

若巷道頂幫每排2 根錨索，錨索的排距2.2 m，則每平方米有錨索2/2.2=0.9根錨索；木支柱每排2根，排距1 m；單體液壓每排2 根，支柱排距0.8 m，則每平方米有2/0.8=2.5 根單體液壓支柱。則每米巷道的頂幫支護強度為：0.9×300+200×2+250×2.5=1 295 kN/m2

則巷道頂部支護的安全系數為：1 295/479.6=2.7

綜上所述:老年急性腸梗阻患者采用手術治療有效率更高,但恢復時間比較長,且并發癥較多,因此,在術后應采取適合的護理手段提升治療療效。

因此采高高度小于3.5 m時，沿空留巷順槽頂幫加強支護參數為：錨索每排2根，排距2.2 m；木支柱每排2 根，排距1 m；單體液壓支柱每排2 根，排距0.8 m。此時巷道頂幫支護的安全系數為2.7，可保證沿空留巷在18503工作面周期來壓時候的穩定。

4.2 巷道煤幫加強支護參數

根據表3 的順槽圍巖壓力的數據計算可得，巷道幫部的支護強度最小值為133.6 kN/m2。

若巷道幫部補打錨索每排2 根，排距1.6 m，則每平方米有錨索2/1.6=1.25根。則每米巷道幫部的支護強度為：1.25×300=375 kN/m2

則巷道幫部支護的安全系數為：375/133.6=2.8

因此沿空留巷順槽幫部加強支護參數為：巷道幫部補打錨索每排2根，排距1.6 m。此時巷道幫部支護的安全系數為2.8。

4.3 巷道底部加強支護參數

根據表3 的順槽圍巖壓力的數據計算可得，巷道底幫的支護強度最小值為736.75 kN/m2。以φ20 mm螺紋鋼樹脂錨桿為例，錨桿支護強度為90 kN/m2。

采高大于3.5 m:

巷道底部支護的安全系數為：1623.7/736.75=2.2

因此采高高度大于3.5 m時，沿空留巷巷道底幫加強支護參數為：每2.2 m 巷道打7 根底錨桿；木支柱每排2 根，排距1m；單體液壓支柱每排3 根，排距0.8 m。此時巷道底部支護的安全系數為2.2。

采高小于3.5 m:

若巷道底角錨桿七花布置，每2.2 m巷道打7根底錨桿，則每平方米有錨桿7/2.2=3.18根錨桿；木支柱每排2 根，排距1 m；單體液壓支柱每排2 根，排距0.8 m，則每平方米有2/0.8=2.5 根單體液壓支柱。則每米巷道的底幫支護強度為：3.18×90+200×2+250×2.5=1311.2（kN/m2）

巷道底部支護的安全系數為：1311.2/736.75=1.78

因此采高高度小于3.5 m時，沿空留巷巷道底幫加強支護參數為：每2.2 m 巷道打7 根底錨桿；木支柱每排2 根，排距1 m；單體液壓支柱每排2 根，排距0.8 m。此時巷道底部支護的安全系數為1.78。沿空留巷巷道圍巖具體的加強支護如圖所示。

圖1 18503綜采工作面材料順槽加強支護平面圖

圖2 18503綜采工作面材料順槽加強支護斷面圖

5 沿空留巷工藝系統

沿空留巷工藝系統見圖4：

圖4 沿空留巷工藝系統圖

6 結論

（1）經測算，目前斜溝煤礦沿空留設1 m巷道可產生的經濟效益為16 626.94元，該項目具有較大的經濟效益。

（2）緩解礦井采掘接替緊張的狀況，尤其是長距離掘進巷道的困難，改善了礦井安全狀況。

（3）大幅度地提高礦井資源回收率，延長了礦井服務年限，為礦井的可持續發展奠定了基礎。

（4）形成厚煤層大斷面沿空留巷成套技術，為我國大斷面巷道沿空留巷提供工程示范。