采动剧烈动压影响下沿空掘巷支护设计研究

张海斌

（山西汾西矿业集团公司生产处，山西 介休032000）

汾西矿业中兴煤矿为保证回采工作面顺利衔接，避免出现孤岛工作面的目的，在3203工作面进行回采的同时，就必须要沿着与3203工作面运输巷掘进方向进行掘进，在此基础上，才能保证正常的采掘衔接，最终保证矿井顺序回采和完成产量的目的。可是根据地质预报和回采自恋显示，在掘进过程中会遇到受采动剧烈影响区，为避免在掘进过程中发生不安全因素及保证巷道支护效果，从设计角度和围岩情况出发，对3205运输巷做了合理的设计。现工作面正在推进，此支护设计效果比较理想。

1 中兴煤矿的概述

1.1 工作面基本情况

中兴煤矿3203综采工作面，位于东三采区，所采煤层为2号煤层，煤层最小厚度1.4 m，最大厚度2.4 m，平均厚度1.9 m，北邻3204工作面（未掘进），南面为三采总回风巷、西翼轨道巷、集中皮带巷，西面为3205运巷（停掘），设计可采长度1 474 m，工作面长度156 m，可采储量60.1万t。

1.2 煤层顶底板情况（见表1）

表1 煤层顶底板情况

1.3 巷道布置情况

3205工作面由运输巷、材料巷、切割巷构成完整的生产系统，运输巷与材料巷方位为0°，切眼垂直于两巷，方位为90°。

材料巷与三采总回风巷、西翼轨道巷联通，构成回风、行人、运料系统；运输巷与西翼轨道巷联通，通过溜煤眼与集中皮带巷联通，构成进风、行人、运煤系统。

2 煤柱宽度确定

在沿空掘巷时，如果煤柱留设不合理，会导致煤炭资源受到损失，严重时会发生顶板事故，为后续的回采造成很大的隐患，所以煤柱的留设是非常关键的。为避开应力高峰值区，减少采空区对煤柱的破坏，参考原有煤柱留设理论，计算如下：

式中：X1为已回采工作面造成的破坏宽度；X2为锚杆深度；X3为安全富余系数。

图1 煤柱留设宽度确定模型

X1计算公式为：

X2计算公式为：

式（2）中：m为已回采巷道宽度，取3.47 m；A为采空区对煤柱的测压系数；φ0为煤体内摩擦角，取26.31°；C0为煤体内粘聚力，取24.6 MPa；K为应力集中系数，取值范围2～3，取2.5；γ为煤岩层平均密度，取25 kN/m3；H为巷道埋藏深度，取260 m；Pz为3205工作面运输巷煤帮的支护阻力，取0.15 MPa。将代入各参数计算可得出X1=1.5 m。

式（3）中：r0为巷道等效半径，取2 m；Pt为支护阻力，取0.15 MPa；其他参数含义同上。代入各参数计算可得出X2=2.12 m。

X3为煤柱安全富余系数计算：

因此，煤柱的合理留设宽度：B=X1+X2+X3=1.5+2.12+1.379=4.99 m，取整数为5 m[1]。

3 巷道支护方案设计

3.1 巷道支护关键

3205工作面运输巷顺着3203综放工作面材料巷侧组织施工时。在具体工作过程中，前者有560 m的巷道会因为其采动剧烈动压因素的影响，而阻碍工程进度。因此，分析了该巷道支护重点：3205运输巷会受到采动动压限制，在实际施工中，出现片邦变形等一系列状况，从而导致支护困难；3205运输巷顺着煤层底板进行掘进，处于托顶煤环节时，巷道顶板会由于动压影响带来一系问题，出现顶板破碎、下沉及冒顶情况；3205沿空已掘出巷道的后续工序等工作难度会更高。巷道会受剧烈动压因素的制约，会发生巷道重度变形，以及巷道报废的严重后果。面对这种支护问题，需综合考虑多方面因素，借助围岩的自承能力，提高塑性破坏岩层适应力，保证顶板的整体性，减少破坏程度。

3.2 锚杆支护参数设计

采取巷道支护措施的目的是为了后续选取恰当的巷道掘进位置等，从而加快掘进速度。巷道的掘进位置一般需考虑工作面的动压因素，因为这个因素是处于变化中的。根据理论得到支承压力的关键部位是在4.0～4.5 m的范围间。但是考虑到这是一次巷道支护实践，所以，结合了现有的实践场地，设计其煤柱宽是5 m。而在本次实验中，选取的锚杆支护是主动支护措施。在具体工作时，通常选取工程类比法，辅助巷道支护，还有悬吊在内的多个理论而形成的解析法，最后设计锚杆支护方式。通过理论计算工作面压力，了解围岩特征等，最后采取的巷道支护措施：高强预应力锚杆以及预应力锚索组合支护措施，表面控制选择菱形铁丝网片。

巷道围岩松散破碎区域影响锚杆设计的长度。一般来说，锚杆的长度必须达到锚固到松散破碎区域外，甚至再到达的一定深度。根据摩尔库仑理论，来确定围岩的破坏准则。基于了解巷道围岩的剪切破坏区域，莫尔库仑安全系数法一般都会借助的方法，对应的SF计算公式如下：

式中：G的含义是内摩擦系数[2]。根据工作经验和理论知识，在设计某个参数时需注意巷道顶板的莫尔库仑安全系数SF不能大于1.5时，工作环境是安全的，否则，则是不稳定区域，这时就需做支护控制工作。在对待两帮工作时，通常的SF一定要大于1.0，如果不在这个范围，就会发生危险状况，基于此巷道侧帮需做支护控制。

根据摩尔库仑概念，设计与上文同类型模拟，选取的锚杆是Q500左旋无纵筋螺纹钢，其中直径18 mm，屈服强度达到150 kN，抗拉强度达到200 kN。设计的支护参数：锚杆长度是2 400 mm，安装载荷达到40 kN。

锚索的作用是悬吊顶板，增加预应力，缓解巷道变形。因此锚索直径设计为15.24 mm，长度设计为6 m，并在锚固端加工3个鸟巢。锚索预应力应大于80 kN。

合理的表面控制系统需要没有出现片帮以及漏顶状况，以及提高支护系统的受力范围，保障支护系统的整体性。这种菱形铁丝网一方面可以杜绝漏矸、漏顶状况发生，另一方面能有效控制围岩变形程度，同时与锚杆以及钢带构成整体，提高了支护系统的安全性以及整体性。

4 矿压观测综合分析

3203综放工作面在2019年3月就已结束回采工作，全部的观测点时间起止是，2019年1月10日到4月16日。从本次对5个观测点的观测，总结出，巷道都会有“不稳定变形到稳定”的阶段，在工作面推至测点四周时，顶底以及两帮压力有了初步提高；在通过测点后，在推过测点接近40 m处时，压力呈现减小的趋势，同时至稳定点保持不变。顶板压力主要在8～9 MPa区域内发生变化，其中压力的峰值是15 MPa；沿空侧帮部压力在最低15～20 MPa这个范围，其压力的峰值是25 MPa。

5 结语

在沿空掘巷时，首先要确定煤柱宽度，煤柱宽度确定后在选择巷道支护方式，此时应当充分考虑支护形式对煤柱的影响，依据极限平衡理论计算[1]可知，3203工作面煤柱留设宽度为5 m时，3205工作面运输顺槽在巷道掘进与工作面回采时，均能保证巷道的安全高效使用。