極近距離煤層采空區下順槽巷道掘進與支護技術

王 忠

（山西焦煤西山煤電遼源煤業有限公司，山西 太原 030053）

引言

山西焦煤西山煤電遼源煤業有限公司位于古交市馬蘭鎮南家山村附近，屬于兼并重組礦井、高瓦斯礦井，設計生產能力60 萬t/年，重組后井田面積為1.985 km2，井田結構相對簡單。主斜副立開拓方式，現有井筒4 個，批準開采煤層太原組2～9 號煤層，現采8、9 號煤層，開采水平+670 m，煤層自燃傾向性為自燃，水文地質類型中等。以前待8 號煤采空區穩定后，9 號煤工作面兩順槽支護主要采用工字鋼棚支護，工人勞動強度大、運輸量大、準備時間長、采掘銜接緊張。為改變支護形式、提高巷道掘進速度、提高采掘效率，研究9 號煤層順槽采用錨桿（索）+金屬網+鋼帶聯合支護，改善巷道圍巖壓力，降低勞動強度[1-2]。

1 遼源礦三采區概況

遼源礦三采區位于井田中西部即F3 斷層以西，西部、南部、北部以井田邊界為界，上部為一采區；三采區東西長約1 470 m，南北長約2 200 m，9 號煤層可采區總面積約3.307 2 km2；三采區內9 號煤層工業資源儲量為12 842 kt，生產能力按0.60 Mt/年。三采區8 號煤層平均煤厚度為0.97 m，9 號煤層平均煤厚度為3.25 m；9 號煤層工作面運輸、回風順槽均沿9號煤層底板掘進，為矩形斷面，運輸順槽尺寸為寬4.8 m、高2.8 m，斷面積13.5 m2，回風順槽寬4.5 m、高2.8 m，斷面積12.60 m2[3-4]。

2 順槽支護參數確定

由于考慮8、9 號煤層為近距離煤層，8 號煤層與9 號煤層層間距為1.79～3.49 m，平均2.83 m，為避開8 號煤層開采期間動壓影響9 號煤層巷道支護，設計9 號煤層順槽外錯7 m（中-中）布置；若8、9 號煤層距離3 m 以上，9 號煤層順槽支護采用錨桿（索）+金屬網+鋼帶聯合支護；若8、9 號煤層距離1.79～3.00 m，9 號煤層順槽支護采用錨桿+金屬網+鋼棚聯合支護；現將錨桿（索）相關參數計算如下。

2.1 錨桿支護參數確定

2.1.1 錨桿長度

根據錨桿作用機理和懸吊作用理論，錨桿施工長度計算如下：

式中：L 為錨桿長度，m；L外露為外露長度，m；L有效為有效長度，m；L錨固為錨固長度，m。

錨桿外露長度L外露=墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m，一般L外露取0.15 m。錨桿有效長度L有效的確定：在松散介質及中硬以下巖石，以及小跨度地下空間，可以得用M.M.普羅托奇雅可諾夫的拋物形壓力拱理論估計冒落帶高度。

當f≥3 時：

當f＜3 時：

錨桿錨固長度L錨固的確定：按經驗，L錨固=0.3～0.4 m。9 號煤層順槽頂錨桿長度L=0.15+1.18+0.3=1.63 m，取2.0 m；幫錨桿長度：L=0.15+0.54+0.3=0.99 m，取1.8 m。

2.1.2 錨桿間排距

根據每根錨桿懸吊載荷大小確定錨桿間a、排距b，即錨桿懸吊巖石載荷（G=abL2γ）小于或者等于錨桿的錨固力Q。考慮安全系數k 的情況下：Q≥kL2abγ，則：

式中：a、b 為錨桿間、排距，m；γ 為被懸吊軟弱巖平均容重，取25 kN/m3；k 為安全系數，一般取1.3～1.8；考慮到松軟巖層不穩定，取1.8；L2為軟弱巖層厚度或冒落拱高度，取1.22 m；Q 為錨桿錨固力（以Φ20 mm 螺紋鋼計算，屈服強度σ屈=340 MPa）107 kN。

本次設計考慮到遼源礦方實際地質條件，9 號煤層順槽幫、頂錨桿采用Φ22 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿時，運輸順槽間排距為900 mm、800 mm，回風順槽間排距為800 mm、800 mm[5-6]。

2.1.3 錨桿直徑的確定

按錨桿桿體承載力與錨固力等強度原則，確定錨桿直徑d錨桿公式為：

式中：Q錨固力為錨固力，取107 kN；σ1為桿體材料本身的抗拉強度，取520 MPa。錨桿直徑大于16.2 mm可滿足支護需要，按礦方支護經驗頂、幫錨桿取Φ22 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿。

2.2 錨索支護參數的確定

2.2.1 錨索長度

式中：X外露為外露長度，取0.25 m；X軟弱巖層為潛在軟弱巖層高度，取2.5 m；X錨固為錨索錨固長度，取1.3 m。

將數值代入式（6）得X=4.05 m，取5.2 m。

式中：d鋼為鋼絞線直徑，取21.6 mm；fst為鋼絞線抗拉強度，取1 860 MPa；fcs為錨索與錨固劑的設計黏接強度，按10 MPa 計算。

將相關數據代入式（7）得：X錨固=1 279 mm。設計錨固長度1.3 m＞1.279 m。

2.2.2 錨索間距

遼源礦9 號煤層兩順槽巷道寬度分別為4.8 m和4.5 m，頂錨桿間距分別為900 mm 和800 mm，設計每排布置3 根錨索，間距分別為1 800 mm和1 600 mm。

2.2.3 錨索排距

根據錨桿失效時，上覆巖石重量需錨索承擔，來錨索數應滿足以下公式：

式中：N 為錨索數目，9 號煤層每排取3 根；K 為安全系數，取2；P斷為鋼絞線最低破斷力，取350 kN；W 為被懸吊巖石的自重，kN；B 為巷道掘進巷寬，m；D 為排距，m；∑h 為巖石厚度，取1.22 m；∑γ 為巖石平均容重，取25 kN/m3。

通過式（8），確定錨索排距應滿足以下公式：

將數值代入式（9）得D=2.8 m。

結合遼源礦地質條件和礦井支護經驗及頂錨桿排距，9 號煤層兩順槽錨索排距為1 600 mm。

2.3 工字鋼棚支護確定

若8、9 號煤層距離1.79～3.00 m，9 號煤層順槽支護采用錨桿+金屬網+工字鋼棚聯合支護。根據煤層間距圖，8、9 號煤層距離1.79～3.00 m 開完后，采用錨桿+鋼網初次支護后，11 號工字鋼加木垛支護，及時維護圍巖，防止塌方、冒頂。巷道斷面特征表詳見表1。

表1 巷道斷面特征

3 應用效果分析

遼源煤業公司9 號煤層運輸（回風）順槽順槽頂錨桿采用Φ22 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿，間排距為800 mm、800 mm，長度1 800 mm（2 000 mm）；運輸（回風）順槽錨索采用Φ21.6 mm、長度為5 200 mm 的高強度預應力鋼絞線，錨索間排距為1 800 mm（1 600 mm）、1 600 mm，每排3 根。順槽采用上述支護方法后，掘進隊組由原來100 m/月提高到180 m/月采掘銜接順暢，有效控制圍巖變形，實現了很好的經濟技術效果。

4 結論

在開采極近距離煤層時，由于相鄰煤層間距小，上層煤層的開采會對下層煤層的頂板進行一定的擾動，當上煤層開采完畢頂板垮落時會導致相鄰巷道布置及支護問題。為保證工作面的安全回采，結合遼源礦地質條件和采掘工藝設計了回采順槽的錨桿（索）+金屬網+鋼帶聯合支護技術方案，實踐取得良好效果，有效控制了巷道圍巖變形嚴重問題，改善了巷道受力狀況，減少了巷道圍巖的變形量，保證了礦井工作面的安全回采。