東峰煤礦3201 工作面沿空留巷支護優化設計

米 波

（山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西 高平 048000）

1 工程概況

東峰煤礦位于山西省高平市，3201 綜采工作面位于東峰煤礦有限公司二采區西翼，南側為二采區膠帶上山，西側為3201 軌道順槽，北側為東峰煤礦與南陽煤礦邊界線，東側為實體煤。3201工作面開采3 號煤層，平均傾角為5°，平均厚度為5.93 m。直接頂為3.01 m 厚的粗粉砂巖，基本頂為3.57 m 厚的中粒砂巖，直接底為0.7 m 厚的泥巖，基本底為4.96 m 厚的泥巖。3201 軌道順槽為沿空留巷，順槽長度為2 372.8 m，如圖1 所示。

圖1 3201 工作面工程平面圖

3201 軌道順槽設計尺寸為5.2×3.3 m，沿煤層底板掘進，原設計支護方式為錨桿+錨索聯合支護。在施工過程中巷道成型差，圍巖變形量嚴重，無法保證沿空留巷的安全穩定。

2 沿空留巷支護設計

2.1 巷旁支護

（1）巷旁充填參數

綜合考慮巷道的功能，確定沿空留巷尺寸為5.2×4 m，設計巷旁充填體支護寬度為1.2 m，支護斷面如圖2 所示。

圖2 沿空留巷支護橫斷面

在原有錨桿+錨索支護方式下，增加金屬網補強支護，在頂板原有錨索每排布置2 根基礎上，補強2 根錨索。

巷旁支護采用不低于C40 的高強度混凝土充填體、對拉錨栓和鋼筋鋼帶進行加強支護。錨栓采用直徑為22 mm、長度為1.45 m 的左旋無縱筋螺紋鋼，兩端設有長度大于等于100 mm 的螺紋，規格為M24，布置間排距為700 mm×750 mm。在墻體澆筑成型1 d后通過扭矩扳手給錨栓施加300 N·m 的預緊扭矩。錨栓托盤尺寸不低于150 mm×150 mm×12 mm，托盤承載能力大于23 t。

采用Φ16 mm 圓鋼焊接鋼筋鋼帶，橫向鋼筋鋼帶長度分別為1900 mm、3000 mm 和3400 mm，對應2000 mm、3000 mm 和4000 mm 長柔性模板。鋼筋鋼帶扣距80 mm。

（2）留巷壓力計算

巷旁支護主要受力為直接頂巖層的重力和基本頂轉動的壓力。直接頂重力可以由下式計算：

式中：l 為沿空留巷控頂寬度，b 為直接頂巖塊的寬度，Σh 為直接頂高度，p 為直接頂巖塊的密度。Σh 的大小以填滿采空區為準，Σh=h1/（k0-1），其中h1為采高，k0為巖層的碎脹系數，取1.25～1.5。則直接頂巖柱的重量為W=（2～4）lbh1p。

基本頂轉動壓力可以由實測動壓系數（一般取值小于2）進行估算，巷旁支護最大載荷Qm可表示為Qm=ηW=（4～8）lbh1p。安全起見，則巷旁支護最大工作載荷取8 倍采高巖柱的重量作為設計荷載。

據3201 工作面實際地質條件，采高為5.82 m，頂板容重取25.6 kN/m3，沿空留巷控頂寬度為5.2 m，則計算得到留巷的最大載荷為6 198.07 kN/m。

（3）墻體承載力驗算

與素混凝土相比，柔模混凝土的應力-應變關系曲線僅在應力超過混凝土抗壓強度后才表現出明顯的不同，即形成強化作用。柔模混凝土的強度和延性都得到提高。柔模混凝土墻體的承載力計算公式為：

式中：σr為錨栓的約束應力，取0.29 MPa；N2為巷旁支護的承載能力；Acor為環向包裹內混凝土面積，矩形截面Acor=bh；fc為混凝土抗壓強度設計值。

代入得柔模混凝土墻體承載力為21 880.8 kN/m，大于留巷的最大載荷6 198.07 kN/m（安全系數1.5）。

2.2 采空區圍護

（1）架前鋪網

在機尾側3 組過渡支架架前頂板鋪設雙層菱形金屬網。金屬網采用8#鐵絲編織而成，鋪網長度為：過渡架3 架4500 mm+采高2600 mm+采空區壓矸石長度1500～2000 mm= 9100 mm。金屬網一側延伸至巷內與軌道巷頂板金屬網綁扎牢靠，采用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣，隔孔相連，網片對接。金屬網自然延伸，移架后金屬網落地、兜矸。

（2）架前錨索圍護頂板

根據井下實際留巷經驗可知，頂煤和直接頂垮落后，僅靠金屬網不能有效阻擋采空區矸石，需要在軌道巷回采側煤幫設置錨索。參數為：Φ17.8×5300 mm，外露150～250 mm。錨固劑：S2360 型1 卷，Z2360 型2 卷。錨索最大間距不應超過1200 mm。

（3）沿空留巷擋矸支架

表1 沿空留巷擋矸支架主要技術參數

2.3 臨時加強支護

2.3.1 臨時加強支護參數

（1）超前工作面臨時加強支護參數

根據《煤礦安全規程》，超前工作面臨時支護范圍不少于20 m，考慮到超前工作面切頂爆破的影響，確定超前工作面支護范圍為30 m。在超前工作面30 m 范圍內沿巷道走向利用單體支柱配合π 型鋼梁打一梁四柱抬棚，單體柱間距900±100 mm，每排4 根單體液壓支柱，π 型梁長度3800 mm。在壓力較大區域，在柔模墻體頂部橫向布置廢舊鋼梁。

（2）滯后工作面臨時加強支護參數

在滯后工作面250 m 范圍內沿巷道走向利用單體支柱配合π 型鋼梁打一梁四柱抬棚，間距900±100 mm。第一排π 型梁距煤幫500 mm，第二排距煤幫1900 mm，第三排距煤幫2700 mm，第四排距墻300 mm，π 型鋼梁長度3800 mm。臨時加強支護平面如圖3 所示。

圖3 沿空留巷臨時加強支護平面圖

2.3.2 臨時加強支護強度驗算

根據煤層頂底板情況可知，頂煤厚度約3.3 m，頂板錨桿尚在頂煤體內，未穿過砂質泥巖直接頂，錨索錨固段在細砂巖基本頂內。因此，頂板錨桿支護的主要作用是提高頂煤的完整性，懸吊作用不明顯。頂板錨索的主要作用是將頂煤體與砂質泥巖直接頂組合在一起，并與細粒砂巖基本頂組合成深梁，共同承載變形。

超前工作面每延米巷道頂煤體重：5.2 m×3.3 m×1 m×14.2 kN/m3=243.67 kN。超前工作面每延米巷道直接頂的重量：5.2 m×2.0 m×1 m×26 kN/m3=270.4 kN。超前工作面每延米巷道頂板錨索的預緊力不低于：250 kN/根×5 根=1250 kN。

滯后工作面每延米巷道頂煤體重：4.0 m×3.3 m×1 m×14.2 kN/m3=187.44 kN。滯后工作面每延米巷道直接頂的重量為：4.0 m×2.0 m×1 m×26 kN/m3=208 kN。滯后工作面每延米巷道頂板錨索的預緊力不低于：250 kN/根×3.9 根=975 kN。

由此可見，超前或滯后工作面錨索預應力大于頂煤體和直接頂重量，通過頂板錨索預應力可將頂煤與砂質泥巖直接頂牢固組合為一個整體。為了防止支承壓力造成錨桿支護失效，破壞頂煤完整性，需要通過臨時加強支護將頂煤體和直接頂托住。

超前工作面臨時加強支護強度為：300 kN/根×4.44 根/m=1332 kN/m，頂煤體和直接頂重量之和為514.07 kN，安全系數為2.59＞2。因此，超前工作面橫向一排四柱加強支護參數滿足控頂要求。

滯后工作面臨時加強支護強度為：300 kN/根×4.44 根/m=1332 kN/m，頂煤體和直接頂重量之和為359.44 kN，安全系數為3.7＞2。因此，滯后工作面橫向一排四柱加強支護參數滿足控頂要求。

3 應用效果

3201 軌道順槽沿空留巷后，在巷道四周布置位移測點，測量圍巖變形量，通過記錄、收集、分析數據，3201 軌道順槽頂底板移近量180 mm，兩幫移近量達到120 mm，可以滿足沿空留巷的正常使用需求。