极近距离煤层回采巷道联合支护技术研究

拜 敬

(山西兰花集团 莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048000)

随着锚杆支护理论的不断完善和锚杆支护材料的不断发展，锚杆支护已成为巷道永久支护的主要方式。山西兰花集团莒山煤矿二采区10号煤层工作面回采巷道目前仍采用工字钢棚支护，棚间距为0.8 m，缺乏理论依据，受9号煤层采空区及工作面动压的影响，工作面顺槽的变形量较大，严重制约10号煤层的安全高效生产。为解决10号煤层回采巷道的安全高效支护问题，以10207工作面回风顺槽为研究背景，对巷道支护方案与支护参数进行研究。

1 工程概况与支护思路

1.1 开采地质条件

二采区10号煤层平均厚度1.7 m，距离上方9号煤层采空区的距离平均5.0 m，煤层顶板为泥岩和砂质泥岩，计划开掘的10号煤层工作面顺槽布置于9号煤层采空区下方。新掘的10207工作面回风顺槽沿煤层顶板布置，采用梯形断面，顶净宽3.6 m，底净宽4.6 m，净高2.5 m.

1.2 支护思路

由于9、10号煤层的层间距近，受9号煤层采空区及煤柱的影响，10号煤层巷道掘进及工作面回采可能遇到围岩压力大、围岩破碎、巷道变形量大等问题。但考虑到10号煤层顶板完整性较好，可以考虑采用U型钢棚+锚杆的联合支护方式。

2 U型钢棚支护技术

2.1 支护材料材质

常用的矿用U型钢棚有18U、25U、29U，材质有16 Mn、20 MnK、20 MnVK等，其主要力学参数见表1.

表1 矿用U型钢棚力学性能表

针对实际生产地质条件，在参考该矿已有巷道支护方式、参数及支护效果的基础上，通过现场调研，依据巷道支护原理和支护设计原则，确定使用材质为20 MnK的矿用29U型钢棚进行支护。

2.2 U型钢棚所受压力分析

使用U型钢棚支护其跨距为巷道顶板宽度，使用29U型钢，其屈服极限σs=355 MPa，抗拉强度σb=510 MPa，抗弯截面模量Wz=106.0 cm3.

U型钢顶梁受到的均布载荷为[1-2]：

(1)

式中：

q—U型钢所受巷道顶板的均部载荷，kN/m；

σmax—顶梁所受的最大应力，MPa，取σmax=σs；

Wz—抗弯截面模量，m3；

l—工字钢棚顶梁跨长，m，取3.6.

将各参数代入式(1)，得：q=23.23 kN/m.

通过分析可知，一架跨长为3.6 m的矿用29U型钢顶梁达到屈服极限时，其所受均布载荷约为23.23 kN/m，整架的载荷为Qs=23.23 kN×3.6=83.6 kN.

发生抗拉破坏时，将σb=510 MPa代入式(1)，得q=33.4 kN/m，整架棚的破坏载荷为Qb=120.2 kN.

根据资料说明，钢厂轧制的钢材强度通常高于标准规定，故其实际承载能力均高于计算数据，选用29U型钢可以满足支护要求。

2.3 顶板压力分析

巷道顶板压力按下式计算[3-4]：

(2)

式中：

Qd—单位长度内巷道顶板压力，kN/m；

γ—顶板岩石容重，kN/m3；

f—顶板岩石的坚固性系数；

a—巷道半跨度，m.

10207工作面顺槽掘进上部顶板宽度为3.6 m，考虑多重采动影响，上覆顶板岩层的普氏系数f取1，顶板岩石平均容重γ取16.5 kN/m3，将各参数代入式(2)中，得巷道顶板压力为88 kN/m.

由上述计算结果可知，采用跨长3.6 m的U型钢支护，最小工字钢使用载荷为83.6 kN/m.此时，当棚距为1.0 m时，安全系数为n=83.6/(88.0×1.0)=0.95，显然不满足支护强度。当棚距为0.8 m时，安全系数为n=83.6/(88.0×0.8)=1.18，满足支护强度要求。

3 锚杆支护参数

为确保工作面开采过程中巷道围岩的稳定，需要进行进一步锚杆支护。结合以上分析，10号煤层工作面顺槽支护的重点是对巷道顶板的支护，根据钻孔窥视结果，顶板完整性较好，满足锚杆支护的条件，初步计划采用锚杆支护。因此，针对10号煤层的赋存条件，采用相关的理论计算方法对顶板及两帮的锚杆参数进行计算。

3.1 巷道顶板破坏深度

顶板岩层的破坏深度b按相对于层理的法线计[5]，可根据下式求出：

(3)

式中：

a—底部巷道的半跨距，m，取2.3；

α—煤层倾角，(°)，取5；

C—两帮破坏深度，m，根据实测数据，取0.35；

ky—待锚固岩层的稳定性系数，取1.3；

fn—锚杆加固后锚固岩层的硬度系数，考虑一定的弱化系数，取1.8.

计算可得，回风顺槽的顶板破坏深度为1.13 m.

3.2 锚杆长度

顶锚杆长度按下式所示：

Lr=b+Δ

(4)

式中：

Δ—锚杆支护超出围岩破坏范围的长度和外露长度之和，m,取0.6.

计算可得,运输顺槽和回风顺槽的顶锚杆长度为1.17 m.

4 巷道支护方案

根据矿井二采区10号煤层工作面顺槽的布置方式、受力分析、已有相关近距离煤层支护方法及井田内的地质钻孔柱状，结合矿井井下实际揭露情况和采区内其他巷道的支护现状，综合分析确定10号煤层10207工作面回风顺槽采用U型钢棚与锚杆联合支护方案。

顶板及帮部采用29U型钢，棚距800 mm.

巷道顶板采用d22 mm×2 400 mm的高强度螺纹钢锚杆加强支护，树脂加长锚固，杆尾螺纹强化，屈服强度335 MPa，抗拉强度490 MPa，延伸率18%，屈服载荷186.3 kN.配套3 400×1 100型技术网用16#铅丝联接，双丝双扣，孔孔相连。铺设时保证网片间搭接100～200 mm，并用铁丝连接牢靠。锚杆排距为800 mm，每排布置4根锚杆，间距为1 100 mm，锚杆全部垂直顶板安装，锚杆预紧力扭矩不小于300 N·m.巷道支护断面见图1.

图1 巷道支护断面图

5 应用效果

10207工作面回风顺槽采用U型钢与锚杆联合支护后，掘进期间巷道顶板最大下沉量为65 mm，两帮最大累计变形量为82 mm，回采期间工作面前方巷道最大累计变形量为185 mm，两帮最大累计变形量为215 mm，整个服务期间U型钢未出现破断和明显的变形，巷道锚杆未出现失效等情况，满足了工作面安全通风及辅助运输要求。

6 结 论

针对10207工作面回风顺槽实际开采技术条件，提出了U型钢与锚杆联合支护技术。通过理论分析得出，单架跨长3.6 m的矿用29U型钢达到屈服极限时的载荷为83.6 kN，达到抗拉极限时的载荷为120.2 kN，实际承载能力均高于计算数据。巷道顶板压力为88 kN/m，确定U型钢支护排距为0.8 m.顶板破坏深度为0.57 m，确定顶锚杆长度为1.17 m，在此基上，综合分析确定了采用d22 mm×2 400 mm型锚杆支护。现场实践表明，巷道支护方案合理，巷道围岩得到了有效控制，可以满足工作面通风及辅助运输要求。