极近距离煤层采空区下顺槽巷道掘进与支护技术

王 忠

（山西焦煤西山煤电辽源煤业有限公司，山西 太原 030053）

引言

山西焦煤西山煤电辽源煤业有限公司位于古交市马兰镇南家山村附近，属于兼并重组矿井、高瓦斯矿井，设计生产能力60 万t/年，重组后井田面积为1.985 km2，井田结构相对简单。主斜副立开拓方式，现有井筒4 个，批准开采煤层太原组2～9 号煤层，现采8、9 号煤层，开采水平+670 m，煤层自燃倾向性为自燃，水文地质类型中等。以前待8 号煤采空区稳定后，9 号煤工作面两顺槽支护主要采用工字钢棚支护，工人劳动强度大、运输量大、准备时间长、采掘衔接紧张。为改变支护形式、提高巷道掘进速度、提高采掘效率，研究9 号煤层顺槽采用锚杆（索）+金属网+钢带联合支护，改善巷道围岩压力，降低劳动强度[1-2]。

1 辽源矿三采区概况

辽源矿三采区位于井田中西部即F3 断层以西，西部、南部、北部以井田边界为界，上部为一采区；三采区东西长约1 470 m，南北长约2 200 m，9 号煤层可采区总面积约3.307 2 km2；三采区内9 号煤层工业资源储量为12 842 kt，生产能力按0.60 Mt/年。三采区8 号煤层平均煤厚度为0.97 m，9 号煤层平均煤厚度为3.25 m；9 号煤层工作面运输、回风顺槽均沿9号煤层底板掘进，为矩形断面，运输顺槽尺寸为宽4.8 m、高2.8 m，断面积13.5 m2，回风顺槽宽4.5 m、高2.8 m，断面积12.60 m2[3-4]。

2 顺槽支护参数确定

由于考虑8、9 号煤层为近距离煤层，8 号煤层与9 号煤层层间距为1.79～3.49 m，平均2.83 m，为避开8 号煤层开采期间动压影响9 号煤层巷道支护，设计9 号煤层顺槽外错7 m（中-中）布置；若8、9 号煤层距离3 m 以上，9 号煤层顺槽支护采用锚杆（索）+金属网+钢带联合支护；若8、9 号煤层距离1.79～3.00 m，9 号煤层顺槽支护采用锚杆+金属网+钢棚联合支护；现将锚杆（索）相关参数计算如下。

2.1 锚杆支护参数确定

2.1.1 锚杆长度

根据锚杆作用机理和悬吊作用理论，锚杆施工长度计算如下：

式中：L 为锚杆长度，m；L外露为外露长度，m；L有效为有效长度，m；L锚固为锚固长度，m。

锚杆外露长度L外露=垫板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m，一般L外露取0.15 m。锚杆有效长度L有效的确定：在松散介质及中硬以下岩石，以及小跨度地下空间，可以得用M.M.普罗托奇雅可诺夫的抛物形压力拱理论估计冒落带高度。

当f≥3 时：

当f＜3 时：

锚杆锚固长度L锚固的确定：按经验，L锚固=0.3～0.4 m。9 号煤层顺槽顶锚杆长度L=0.15+1.18+0.3=1.63 m，取2.0 m；帮锚杆长度：L=0.15+0.54+0.3=0.99 m，取1.8 m。

2.1.2 锚杆间排距

根据每根锚杆悬吊载荷大小确定锚杆间a、排距b，即锚杆悬吊岩石载荷（G=abL2γ）小于或者等于锚杆的锚固力Q。考虑安全系数k 的情况下：Q≥kL2abγ，则：

式中：a、b 为锚杆间、排距，m；γ 为被悬吊软弱岩平均容重，取25 kN/m3；k 为安全系数，一般取1.3～1.8；考虑到松软岩层不稳定，取1.8；L2为软弱岩层厚度或冒落拱高度，取1.22 m；Q 为锚杆锚固力（以Φ20 mm 螺纹钢计算，屈服强度σ屈=340 MPa）107 kN。

本次设计考虑到辽源矿方实际地质条件，9 号煤层顺槽帮、顶锚杆采用Φ22 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆时，运输顺槽间排距为900 mm、800 mm，回风顺槽间排距为800 mm、800 mm[5-6]。

2.1.3 锚杆直径的确定

按锚杆杆体承载力与锚固力等强度原则，确定锚杆直径d锚杆公式为：

式中：Q锚固力为锚固力，取107 kN；σ1为杆体材料本身的抗拉强度，取520 MPa。锚杆直径大于16.2 mm可满足支护需要，按矿方支护经验顶、帮锚杆取Φ22 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆。

2.2 锚索支护参数的确定

2.2.1 锚索长度

式中：X外露为外露长度，取0.25 m；X软弱岩层为潜在软弱岩层高度，取2.5 m；X锚固为锚索锚固长度，取1.3 m。

将数值代入式（6）得X=4.05 m，取5.2 m。

式中：d钢为钢绞线直径，取21.6 mm；fst为钢绞线抗拉强度，取1 860 MPa；fcs为锚索与锚固剂的设计黏接强度，按10 MPa 计算。

将相关数据代入式（7）得：X锚固=1 279 mm。设计锚固长度1.3 m＞1.279 m。

2.2.2 锚索间距

辽源矿9 号煤层两顺槽巷道宽度分别为4.8 m和4.5 m，顶锚杆间距分别为900 mm 和800 mm，设计每排布置3 根锚索，间距分别为1 800 mm和1 600 mm。

2.2.3 锚索排距

根据锚杆失效时，上覆岩石重量需锚索承担，来锚索数应满足以下公式：

式中：N 为锚索数目，9 号煤层每排取3 根；K 为安全系数，取2；P断为钢绞线最低破断力，取350 kN；W 为被悬吊岩石的自重，kN；B 为巷道掘进巷宽，m；D 为排距，m；∑h 为岩石厚度，取1.22 m；∑γ 为岩石平均容重，取25 kN/m3。

通过式（8），确定锚索排距应满足以下公式：

将数值代入式（9）得D=2.8 m。

结合辽源矿地质条件和矿井支护经验及顶锚杆排距，9 号煤层两顺槽锚索排距为1 600 mm。

2.3 工字钢棚支护确定

若8、9 号煤层距离1.79～3.00 m，9 号煤层顺槽支护采用锚杆+金属网+工字钢棚联合支护。根据煤层间距图，8、9 号煤层距离1.79～3.00 m 开完后，采用锚杆+钢网初次支护后，11 号工字钢加木垛支护，及时维护围岩，防止塌方、冒顶。巷道断面特征表详见表1。

表1 巷道断面特征

3 应用效果分析

辽源煤业公司9 号煤层运输（回风）顺槽顺槽顶锚杆采用Φ22 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，间排距为800 mm、800 mm，长度1 800 mm（2 000 mm）；运输（回风）顺槽锚索采用Φ21.6 mm、长度为5 200 mm 的高强度预应力钢绞线，锚索间排距为1 800 mm（1 600 mm）、1 600 mm，每排3 根。顺槽采用上述支护方法后，掘进队组由原来100 m/月提高到180 m/月采掘衔接顺畅，有效控制围岩变形，实现了很好的经济技术效果。

4 结论

在开采极近距离煤层时，由于相邻煤层间距小，上层煤层的开采会对下层煤层的顶板进行一定的扰动，当上煤层开采完毕顶板垮落时会导致相邻巷道布置及支护问题。为保证工作面的安全回采，结合辽源矿地质条件和采掘工艺设计了回采顺槽的锚杆（索）+金属网+钢带联合支护技术方案，实践取得良好效果，有效控制了巷道围岩变形严重问题，改善了巷道受力状况，减少了巷道围岩的变形量，保证了矿井工作面的安全回采。