东峰煤矿3201 工作面沿空留巷支护优化设计

米 波

（山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西 高平 048000）

1 工程概况

东峰煤矿位于山西省高平市，3201 综采工作面位于东峰煤矿有限公司二采区西翼，南侧为二采区胶带上山，西侧为3201 轨道顺槽，北侧为东峰煤矿与南阳煤矿边界线，东侧为实体煤。3201工作面开采3 号煤层，平均倾角为5°，平均厚度为5.93 m。直接顶为3.01 m 厚的粗粉砂岩，基本顶为3.57 m 厚的中粒砂岩，直接底为0.7 m 厚的泥岩，基本底为4.96 m 厚的泥岩。3201 轨道顺槽为沿空留巷，顺槽长度为2 372.8 m，如图1 所示。

图1 3201 工作面工程平面图

3201 轨道顺槽设计尺寸为5.2×3.3 m，沿煤层底板掘进，原设计支护方式为锚杆+锚索联合支护。在施工过程中巷道成型差，围岩变形量严重，无法保证沿空留巷的安全稳定。

2 沿空留巷支护设计

2.1 巷旁支护

（1）巷旁充填参数

综合考虑巷道的功能，确定沿空留巷尺寸为5.2×4 m，设计巷旁充填体支护宽度为1.2 m，支护断面如图2 所示。

图2 沿空留巷支护横断面

在原有锚杆+锚索支护方式下，增加金属网补强支护，在顶板原有锚索每排布置2 根基础上，补强2 根锚索。

巷旁支护采用不低于C40 的高强度混凝土充填体、对拉锚栓和钢筋钢带进行加强支护。锚栓采用直径为22 mm、长度为1.45 m 的左旋无纵筋螺纹钢，两端设有长度大于等于100 mm 的螺纹，规格为M24，布置间排距为700 mm×750 mm。在墙体浇筑成型1 d后通过扭矩扳手给锚栓施加300 N·m 的预紧扭矩。锚栓托盘尺寸不低于150 mm×150 mm×12 mm，托盘承载能力大于23 t。

采用Φ16 mm 圆钢焊接钢筋钢带，横向钢筋钢带长度分别为1900 mm、3000 mm 和3400 mm，对应2000 mm、3000 mm 和4000 mm 长柔性模板。钢筋钢带扣距80 mm。

（2）留巷压力计算

巷旁支护主要受力为直接顶岩层的重力和基本顶转动的压力。直接顶重力可以由下式计算：

式中：l 为沿空留巷控顶宽度，b 为直接顶岩块的宽度，Σh 为直接顶高度，p 为直接顶岩块的密度。Σh 的大小以填满采空区为准，Σh=h1/（k0-1），其中h1为采高，k0为岩层的碎胀系数，取1.25～1.5。则直接顶岩柱的重量为W=（2～4）lbh1p。

基本顶转动压力可以由实测动压系数（一般取值小于2）进行估算，巷旁支护最大载荷Qm可表示为Qm=ηW=（4～8）lbh1p。安全起见，则巷旁支护最大工作载荷取8 倍采高岩柱的重量作为设计荷载。

据3201 工作面实际地质条件，采高为5.82 m，顶板容重取25.6 kN/m³，沿空留巷控顶宽度为5.2 m，则计算得到留巷的最大载荷为6 198.07 kN/m。

（3）墙体承载力验算

与素混凝土相比，柔模混凝土的应力-应变关系曲线仅在应力超过混凝土抗压强度后才表现出明显的不同，即形成强化作用。柔模混凝土的强度和延性都得到提高。柔模混凝土墙体的承载力计算公式为：

式中：σr为锚栓的约束应力，取0.29 MPa；N2为巷旁支护的承载能力；Acor为环向包裹内混凝土面积，矩形截面Acor=bh；fc为混凝土抗压强度设计值。

代入得柔模混凝土墙体承载力为21 880.8 kN/m，大于留巷的最大载荷6 198.07 kN/m（安全系数1.5）。

2.2 采空区围护

（1）架前铺网

在机尾侧3 组过渡支架架前顶板铺设双层菱形金属网。金属网采用8#铁丝编织而成，铺网长度为：过渡架3 架4500 mm+采高2600 mm+采空区压矸石长度1500～2000 mm= 9100 mm。金属网一侧延伸至巷内与轨道巷顶板金属网绑扎牢靠，采用16#铅丝联接，双丝双扣，隔孔相连，网片对接。金属网自然延伸，移架后金属网落地、兜矸。

（2）架前锚索围护顶板

根据井下实际留巷经验可知，顶煤和直接顶垮落后，仅靠金属网不能有效阻挡采空区矸石，需要在轨道巷回采侧煤帮设置锚索。参数为：Φ17.8×5300 mm，外露150～250 mm。锚固剂：S2360 型1 卷，Z2360 型2 卷。锚索最大间距不应超过1200 mm。

（3）沿空留巷挡矸支架

表1 沿空留巷挡矸支架主要技术参数

2.3 临时加强支护

2.3.1 临时加强支护参数

（1）超前工作面临时加强支护参数

根据《煤矿安全规程》，超前工作面临时支护范围不少于20 m，考虑到超前工作面切顶爆破的影响，确定超前工作面支护范围为30 m。在超前工作面30 m 范围内沿巷道走向利用单体支柱配合π 型钢梁打一梁四柱抬棚，单体柱间距900±100 mm，每排4 根单体液压支柱，π 型梁长度3800 mm。在压力较大区域，在柔模墙体顶部横向布置废旧钢梁。

（2）滞后工作面临时加强支护参数

在滞后工作面250 m 范围内沿巷道走向利用单体支柱配合π 型钢梁打一梁四柱抬棚，间距900±100 mm。第一排π 型梁距煤帮500 mm，第二排距煤帮1900 mm，第三排距煤帮2700 mm，第四排距墙300 mm，π 型钢梁长度3800 mm。临时加强支护平面如图3 所示。

图3 沿空留巷临时加强支护平面图

2.3.2 临时加强支护强度验算

根据煤层顶底板情况可知，顶煤厚度约3.3 m，顶板锚杆尚在顶煤体内，未穿过砂质泥岩直接顶，锚索锚固段在细砂岩基本顶内。因此，顶板锚杆支护的主要作用是提高顶煤的完整性，悬吊作用不明显。顶板锚索的主要作用是将顶煤体与砂质泥岩直接顶组合在一起，并与细粒砂岩基本顶组合成深梁，共同承载变形。

超前工作面每延米巷道顶煤体重：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顶的重量：5.2 m×2.0 m×1 m×26 kN/m³=270.4 kN。超前工作面每延米巷道顶板锚索的预紧力不低于：250 kN/根×5 根=1250 kN。

滞后工作面每延米巷道顶煤体重：4.0 m×3.3 m×1 m×14.2 kN/m³=187.44 kN。滞后工作面每延米巷道直接顶的重量为：4.0 m×2.0 m×1 m×26 kN/m³=208 kN。滞后工作面每延米巷道顶板锚索的预紧力不低于：250 kN/根×3.9 根=975 kN。

由此可见，超前或滞后工作面锚索预应力大于顶煤体和直接顶重量，通过顶板锚索预应力可将顶煤与砂质泥岩直接顶牢固组合为一个整体。为了防止支承压力造成锚杆支护失效，破坏顶煤完整性，需要通过临时加强支护将顶煤体和直接顶托住。

超前工作面临时加强支护强度为：300 kN/根×4.44 根/m=1332 kN/m，顶煤体和直接顶重量之和为514.07 kN，安全系数为2.59＞2。因此，超前工作面横向一排四柱加强支护参数满足控顶要求。

滞后工作面临时加强支护强度为：300 kN/根×4.44 根/m=1332 kN/m，顶煤体和直接顶重量之和为359.44 kN，安全系数为3.7＞2。因此，滞后工作面横向一排四柱加强支护参数满足控顶要求。

3 应用效果

3201 轨道顺槽沿空留巷后，在巷道四周布置位移测点，测量围岩变形量，通过记录、收集、分析数据，3201 轨道顺槽顶底板移近量180 mm，两帮移近量达到120 mm，可以满足沿空留巷的正常使用需求。