厚煤層小煤柱沿空掘巷支護技術研究與應用

馮亞楠

（晉能控股煤業集團晉圣公司潤東煤業，山西 晉城 048000）

引言

潤東煤業是一座資源整合礦井，煤炭可采儲量有限，為提高礦井的資源回收率，實施小煤柱沿空掘巷迫在眉睫。針對小煤柱沿空掘巷工藝，如何采用較低的支護成本達到安全可靠的支護效果。通過優化1305工作面進風順槽支護設計，實現煤柱寬度從原先設計的20 m縮減至6 m，同時保證了巷道的安全順利掘進。

1 1305工作面布置情況

1305工作面北與1304回采工作面（已回采）相鄰，南與礦界相鄰，西與軌道聯絡巷、膠帶聯絡巷相鄰，東為采空區，目前四鄰均無采掘活動。

1305工作面開采3號煤層，平均埋深270 m，煤層厚度5.72～7.15 m，平均6.29 m，煤層傾角2°～8°。1305上分層回采工作面布置有1209巷作為運輸順槽，1210巷作為回風順槽，如圖1所示。

圖1 1305工作面布置圖

2 頂板鉆孔窺視及頂板巖層分析

2.1 窺視目的

利用鉆孔窺視儀對巷道頂板進行鉆孔窺視，準確掌握1305工作面頂板巖層巖性、裂隙、各巖層厚度變化及賦存情況。

2.2 窺視儀器

采用CXK12礦用鉆孔窺視儀（見圖2）對3號煤層頂板進行鉆孔窺視。

圖2 CXK12礦用鉆孔窺視儀及配套件

2.3 窺視鉆孔布置

為了研究潤東煤業1209進風順槽頂板圍巖結構，掌握頂板巖層裂隙、各巖層厚度變化情況，在與1209進風順槽相鄰的1208回風順槽110 m、170 m處布置2個窺視孔，標號分別為4號、5號，窺視測點布置見圖3。鉆孔直徑32 mm，孔深分別為13.6 m、13.4 m，窺視孔垂直于頂板布置。

圖3 窺視測點布置

2.4 窺視結果分析

通過對4號、5號鉆孔窺視結果分析得到1209進風順槽頂板綜合柱狀圖4所示。

圖4 1209進風順槽頂板綜合柱狀圖

3 基于工程類比法優化巷道支護設計

1304工作面與本工作面相鄰，巷道斷面和地質條件與1305工作面基本相同，目前1304上分層工作面回采完畢，巷道圍巖變形不大，滿足生產要求。該工作面回風順槽和切眼支護方式可為本次支護設計提供類比[1]。

3.1 巷道圍巖礦壓特征理論計算

3.1.1 1209進風順槽最大片幫深度C的計算

1209巷為1305工作面的進風順槽，留6 m小煤柱護巷，巷道周邊擠壓應力集中系數取1.8；上覆巖層平均重力密度26 kN/m3；巷道埋深270 m考慮；采動影響程度的無因次參數取1.7；考慮節理裂隙影響，3號煤層的普氏系數計算時取0.7；巷道高度取2.75 m；煤體內摩擦角45.5°。

式中：Kcx為巷道周邊擠壓應力集中系數；γ為上覆巖層平均重力密度，kN/m3；H為巷道埋深，m；B為表征采動影響程度的無因次參數；fc為煤層硬度系數；h為巷道高度，m；φ為煤體內摩擦角，（°）。

通過公式（1）計算得：1209進風順槽最大片幫深度為2.35 m，即考慮小煤柱護巷條件，巷道最大片幫深度為2.35 m。

3.1.2 1209進風順槽頂板不穩定巖層高度h g的計算

式中：hg為頂板自然平衡拱高度，m；A為巷道掘進寬度之半，2.1 m；fd為頂板普氏系數。

考慮頂板主要為3.8 m粉砂巖、6.2 m厚細砂巖和1.3 m厚砂質泥巖，考慮節理裂隙影響，頂板加權普氏系數取fd=1.8。

通過公式（2）計算得：1209進風順槽頂板自然平衡拱高度為2.57 m。

3.1.3 1209進風順槽巷道頂壓Q d的計算

式中：γd為頂板容重，巖石取26 kN/m3。

通過公式（3）計算得1209進風順槽頂壓Qd=381.4 kN/m2。

3.1.4 1209進風順槽巷道側壓按下式計算

式中：γm為煤的容重，取14.75 kN/m3。

通過公式（4）計算得1209進風順槽幫側壓為160.3 kN/m2。

3.2 1209進風順槽支護參數的確定

3.2.1 頂板支護參數

1209進風順槽頂部考慮采用錨索補強。頂壓為381.4 kN/m。根據每根錨索懸吊載荷大小確定錨索間距（a）與排距（b），錨索的錨固力取350 kN，考慮到兩頂角錨桿的懸吊作用，考慮安全系數兩頂角錨桿的懸吊作用取130 kN，則錨桿索懸吊巖石載荷G（G=bQd）等于錨桿索的錨固力Q。在考慮了安全系數K的情況下，錨索排距b為：

式中：Q為錨桿索的錨固力，Q=130+350=480 kN。

錨索安全系數K=1.8，通過公式（5）計算得：1209進風順槽錨索排距不宜大于0.70 m。頂板采用錨索補強，即每0.70 m至少布置一根錨索，結合頂錨桿間排距，頂錨索2-1-2布置，排距0.9 m，安全系數大于1.8。

3.2.2 幫部支護參數

1209進風順槽小煤柱幫部考慮采用錨索補強，側壓為160.3 kN/m2。根據每根錨索載荷大小確定錨索間距a與排距b，錨索的錨固力取300 kN，則錨桿索載荷G'（G'=b'Qd）等于錨桿索的錨固力Q。在考慮了安全系數K的情況下，錨索排距b'為：

式中：Q'=300 kN。

錨索安全系數K'=1.5，通過公式（6）計算得：b'=1.24 m。結合幫錨桿間排距，幫錨索排1-0-1布置，排距1.8 m，安全系數大于1.5。

1209進風順槽開采側幫部根據類比法參照1207進風順槽支護參數。

3.2.3 1209進風順槽支護參數

具體巷道參數見表1、表2、表3：

表1 頂板支護參數

表2 巷幫支護參數

表3 小煤柱幫錨索補強參數

4 結論

通過優化1305工作面進風順槽支護設計，該工作面于2020年9月至12月順利完成掘進，且預留煤柱寬度由原先設計的20 m縮減至6 m。通過在巷道布置表面位移測點進行觀測，巷道小煤柱幫側最大移近量150 mm，開采幫側最大移近量100 mm，兩幫最大移近量250 mm，頂板最大移近量120 mm，最小移近量50 mm。該支護設計完全滿足小煤柱沿空掘巷的施工要求。