厚煤层小煤柱沿空掘巷支护技术研究与应用

冯亚楠

（晋能控股煤业集团晋圣公司润东煤业，山西 晋城 048000）

引言

润东煤业是一座资源整合矿井，煤炭可采储量有限，为提高矿井的资源回收率，实施小煤柱沿空掘巷迫在眉睫。针对小煤柱沿空掘巷工艺，如何采用较低的支护成本达到安全可靠的支护效果。通过优化1305工作面进风顺槽支护设计，实现煤柱宽度从原先设计的20 m缩减至6 m，同时保证了巷道的安全顺利掘进。

1 1305工作面布置情况

1305工作面北与1304回采工作面（已回采）相邻，南与矿界相邻，西与轨道联络巷、胶带联络巷相邻，东为采空区，目前四邻均无采掘活动。

1305工作面开采3号煤层，平均埋深270 m，煤层厚度5.72～7.15 m，平均6.29 m，煤层倾角2°～8°。1305上分层回采工作面布置有1209巷作为运输顺槽，1210巷作为回风顺槽，如图1所示。

图1 1305工作面布置图

2 顶板钻孔窥视及顶板岩层分析

2.1 窥视目的

利用钻孔窥视仪对巷道顶板进行钻孔窥视，准确掌握1305工作面顶板岩层岩性、裂隙、各岩层厚度变化及赋存情况。

2.2 窥视仪器

采用CXK12矿用钻孔窥视仪（见图2）对3号煤层顶板进行钻孔窥视。

图2 CXK12矿用钻孔窥视仪及配套件

2.3 窥视钻孔布置

为了研究润东煤业1209进风顺槽顶板围岩结构，掌握顶板岩层裂隙、各岩层厚度变化情况，在与1209进风顺槽相邻的1208回风顺槽110 m、170 m处布置2个窥视孔，标号分别为4号、5号，窥视测点布置见图3。钻孔直径32 mm，孔深分别为13.6 m、13.4 m，窥视孔垂直于顶板布置。

图3 窥视测点布置

2.4 窥视结果分析

通过对4号、5号钻孔窥视结果分析得到1209进风顺槽顶板综合柱状图4所示。

图4 1209进风顺槽顶板综合柱状图

3 基于工程类比法优化巷道支护设计

1304工作面与本工作面相邻，巷道断面和地质条件与1305工作面基本相同，目前1304上分层工作面回采完毕，巷道围岩变形不大，满足生产要求。该工作面回风顺槽和切眼支护方式可为本次支护设计提供类比[1]。

3.1 巷道围岩矿压特征理论计算

3.1.1 1209进风顺槽最大片帮深度C的计算

1209巷为1305工作面的进风顺槽，留6 m小煤柱护巷，巷道周边挤压应力集中系数取1.8；上覆岩层平均重力密度26 kN/m3；巷道埋深270 m考虑；采动影响程度的无因次参数取1.7；考虑节理裂隙影响，3号煤层的普氏系数计算时取0.7；巷道高度取2.75 m；煤体内摩擦角45.5°。

式中：Kcx为巷道周边挤压应力集中系数；γ为上覆岩层平均重力密度，kN/m3；H为巷道埋深，m；B为表征采动影响程度的无因次参数；fc为煤层硬度系数；h为巷道高度，m；φ为煤体内摩擦角，（°）。

通过公式（1）计算得：1209进风顺槽最大片帮深度为2.35 m，即考虑小煤柱护巷条件，巷道最大片帮深度为2.35 m。

3.1.2 1209进风顺槽顶板不稳定岩层高度h g的计算

式中：hg为顶板自然平衡拱高度，m；A为巷道掘进宽度之半，2.1 m；fd为顶板普氏系数。

考虑顶板主要为3.8 m粉砂岩、6.2 m厚细砂岩和1.3 m厚砂质泥岩，考虑节理裂隙影响，顶板加权普氏系数取fd=1.8。

通过公式（2）计算得：1209进风顺槽顶板自然平衡拱高度为2.57 m。

3.1.3 1209进风顺槽巷道顶压Q d的计算

式中：γd为顶板容重，岩石取26 kN/m3。

通过公式（3）计算得1209进风顺槽顶压Qd=381.4 kN/m2。

3.1.4 1209进风顺槽巷道侧压按下式计算

式中：γm为煤的容重，取14.75 kN/m3。

通过公式（4）计算得1209进风顺槽帮侧压为160.3 kN/m2。

3.2 1209进风顺槽支护参数的确定

3.2.1 顶板支护参数

1209进风顺槽顶部考虑采用锚索补强。顶压为381.4 kN/m。根据每根锚索悬吊载荷大小确定锚索间距（a）与排距（b），锚索的锚固力取350 kN，考虑到两顶角锚杆的悬吊作用，考虑安全系数两顶角锚杆的悬吊作用取130 kN，则锚杆索悬吊岩石载荷G（G=bQd）等于锚杆索的锚固力Q。在考虑了安全系数K的情况下，锚索排距b为：

式中：Q为锚杆索的锚固力，Q=130+350=480 kN。

锚索安全系数K=1.8，通过公式（5）计算得：1209进风顺槽锚索排距不宜大于0.70 m。顶板采用锚索补强，即每0.70 m至少布置一根锚索，结合顶锚杆间排距，顶锚索2-1-2布置，排距0.9 m，安全系数大于1.8。

3.2.2 帮部支护参数

1209进风顺槽小煤柱帮部考虑采用锚索补强，侧压为160.3 kN/m2。根据每根锚索载荷大小确定锚索间距a与排距b，锚索的锚固力取300 kN，则锚杆索载荷G'（G'=b'Qd）等于锚杆索的锚固力Q。在考虑了安全系数K的情况下，锚索排距b'为：

式中：Q'=300 kN。

锚索安全系数K'=1.5，通过公式（6）计算得：b'=1.24 m。结合帮锚杆间排距，帮锚索排1-0-1布置，排距1.8 m，安全系数大于1.5。

1209进风顺槽开采侧帮部根据类比法参照1207进风顺槽支护参数。

3.2.3 1209进风顺槽支护参数

具体巷道参数见表1、表2、表3：

表1 顶板支护参数

表2 巷帮支护参数

表3 小煤柱帮锚索补强参数

4 结论

通过优化1305工作面进风顺槽支护设计，该工作面于2020年9月至12月顺利完成掘进，且预留煤柱宽度由原先设计的20 m缩减至6 m。通过在巷道布置表面位移测点进行观测，巷道小煤柱帮侧最大移近量150 mm，开采帮侧最大移近量100 mm，两帮最大移近量250 mm，顶板最大移近量120 mm，最小移近量50 mm。该支护设计完全满足小煤柱沿空掘巷的施工要求。