張海斌

（山西汾西礦業集團公司生產處，山西 介休032000）

汾西礦業中興煤礦為保證回采工作面順利銜接，避免出現孤島工作面的目的，在3203工作面進行回采的同時，就必須要沿著與3203工作面運輸巷掘進方向進行掘進，在此基礎上，才能保證正常的采掘銜接，最終保證礦井順序回采和完成產量的目的。可是根據地質預報和回采自戀顯示，在掘進過程中會遇到受采動劇烈影響區，為避免在掘進過程中發生不安全因素及保證巷道支護效果，從設計角度和圍巖情況出發，對3205運輸巷做了合理的設計。現工作面正在推進，此支護設計效果比較理想。

1 中興煤礦的概述

1.1 工作面基本情況

中興煤礦3203綜采工作面，位于東三采區，所采煤層為2號煤層，煤層最小厚度1.4 m，最大厚度2.4 m，平均厚度1.9 m，北鄰3204工作面（未掘進），南面為三采總回風巷、西翼軌道巷、集中皮帶巷，西面為3205運巷（停掘），設計可采長度1 474 m，工作面長度156 m，可采儲量60.1萬t。

1.2 煤層頂底板情況（見表1）

表1 煤層頂底板情況

1.3 巷道布置情況

3205工作面由運輸巷、材料巷、切割巷構成完整的生產系統，運輸巷與材料巷方位為0°，切眼垂直于兩巷，方位為90°。

材料巷與三采總回風巷、西翼軌道巷聯通，構成回風、行人、運料系統；運輸巷與西翼軌道巷聯通，通過溜煤眼與集中皮帶巷聯通，構成進風、行人、運煤系統。

2 煤柱寬度確定

在沿空掘巷時，如果煤柱留設不合理，會導致煤炭資源受到損失，嚴重時會發生頂板事故，為后續的回采造成很大的隱患，所以煤柱的留設是非常關鍵的。為避開應力高峰值區，減少采空區對煤柱的破壞，參考原有煤柱留設理論，計算如下：

式中：X1為已回采工作面造成的破壞寬度；X2為錨桿深度；X3為安全富余系數。

圖1 煤柱留設寬度確定模型

X1計算公式為：

X2計算公式為：

式（2）中：m為已回采巷道寬度，取3.47 m；A為采空區對煤柱的測壓系數；φ0為煤體內摩擦角，取26.31°；C0為煤體內粘聚力，取24.6 MPa；K為應力集中系數，取值范圍2～3，取2.5；γ為煤巖層平均密度，取25 kN/m3；H為巷道埋藏深度，取260 m；Pz為3205工作面運輸巷煤幫的支護阻力，取0.15 MPa。將代入各參數計算可得出X1=1.5 m。

式（3）中：r0為巷道等效半徑，取2 m；Pt為支護阻力，取0.15 MPa；其他參數含義同上。代入各參數計算可得出X2=2.12 m。

X3為煤柱安全富余系數計算：

因此，煤柱的合理留設寬度：B=X1+X2+X3=1.5+2.12+1.379=4.99 m，取整數為5 m[1]。

3 巷道支護方案設計

3.1 巷道支護關鍵

3205工作面運輸巷順著3203綜放工作面材料巷側組織施工時。在具體工作過程中，前者有560 m的巷道會因為其采動劇烈動壓因素的影響，而阻礙工程進度。因此，分析了該巷道支護重點：3205運輸巷會受到采動動壓限制，在實際施工中，出現片邦變形等一系列狀況，從而導致支護困難；3205運輸巷順著煤層底板進行掘進，處于托頂煤環節時，巷道頂板會由于動壓影響帶來一系問題，出現頂板破碎、下沉及冒頂情況；3205沿空已掘出巷道的后續工序等工作難度會更高。巷道會受劇烈動壓因素的制約，會發生巷道重度變形，以及巷道報廢的嚴重后果。面對這種支護問題，需綜合考慮多方面因素，借助圍巖的自承能力，提高塑性破壞巖層適應力，保證頂板的整體性，減少破壞程度。

3.2 錨桿支護參數設計

采取巷道支護措施的目的是為了后續選取恰當的巷道掘進位置等，從而加快掘進速度。巷道的掘進位置一般需考慮工作面的動壓因素，因為這個因素是處于變化中的。根據理論得到支承壓力的關鍵部位是在4.0～4.5 m的范圍間。但是考慮到這是一次巷道支護實踐，所以，結合了現有的實踐場地，設計其煤柱寬是5 m。而在本次實驗中，選取的錨桿支護是主動支護措施。在具體工作時，通常選取工程類比法，輔助巷道支護，還有懸吊在內的多個理論而形成的解析法，最后設計錨桿支護方式。通過理論計算工作面壓力，了解圍巖特征等，最后采取的巷道支護措施：高強預應力錨桿以及預應力錨索組合支護措施，表面控制選擇菱形鐵絲網片。

巷道圍巖松散破碎區域影響錨桿設計的長度。一般來說，錨桿的長度必須達到錨固到松散破碎區域外，甚至再到達的一定深度。根據摩爾庫侖理論，來確定圍巖的破壞準則。基于了解巷道圍巖的剪切破壞區域，莫爾庫侖安全系數法一般都會借助的方法，對應的SF計算公式如下：

式中：G的含義是內摩擦系數[2]。根據工作經驗和理論知識，在設計某個參數時需注意巷道頂板的莫爾庫侖安全系數SF不能大于1.5時，工作環境是安全的，否則，則是不穩定區域，這時就需做支護控制工作。在對待兩幫工作時，通常的SF一定要大于1.0，如果不在這個范圍，就會發生危險狀況，基于此巷道側幫需做支護控制。

根據摩爾庫侖概念，設計與上文同類型模擬，選取的錨桿是Q500左旋無縱筋螺紋鋼，其中直徑18 mm，屈服強度達到150 kN，抗拉強度達到200 kN。設計的支護參數：錨桿長度是2 400 mm，安裝載荷達到40 kN。

錨索的作用是懸吊頂板，增加預應力，緩解巷道變形。因此錨索直徑設計為15.24 mm，長度設計為6 m，并在錨固端加工3個鳥巢。錨索預應力應大于80 kN。

合理的表面控制系統需要沒有出現片幫以及漏頂狀況，以及提高支護系統的受力范圍，保障支護系統的整體性。這種菱形鐵絲網一方面可以杜絕漏矸、漏頂狀況發生，另一方面能有效控制圍巖變形程度，同時與錨桿以及鋼帶構成整體，提高了支護系統的安全性以及整體性。

4 礦壓觀測綜合分析

3203綜放工作面在2019年3月就已結束回采工作，全部的觀測點時間起止是，2019年1月10日到4月16日。從本次對5個觀測點的觀測，總結出，巷道都會有“不穩定變形到穩定”的階段，在工作面推至測點四周時，頂底以及兩幫壓力有了初步提高；在通過測點后，在推過測點接近40 m處時，壓力呈現減小的趨勢，同時至穩定點保持不變。頂板壓力主要在8～9 MPa區域內發生變化，其中壓力的峰值是15 MPa；沿空側幫部壓力在最低15～20 MPa這個范圍，其壓力的峰值是25 MPa。

5 結語

在沿空掘巷時，首先要確定煤柱寬度，煤柱寬度確定后在選擇巷道支護方式，此時應當充分考慮支護形式對煤柱的影響，依據極限平衡理論計算[1]可知，3203工作面煤柱留設寬度為5 m時，3205工作面運輸順槽在巷道掘進與工作面回采時，均能保證巷道的安全高效使用。