沿空掘巷技術(shù)在4310皮帶順槽的應(yīng)用

周業(yè)亭，郭振忠

淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司許廠煤礦，山東濟(jì)寧 272173

1 4310皮帶順槽的地質(zhì)概況

許廠煤礦是山東能源淄礦集團(tuán)的主要礦井之一，為了解決接續(xù)問題和盡可能提高回采率，準(zhǔn)備在4310皮帶順槽實(shí)施沿空掘巷，4310皮帶順槽西鄰530輔助回風(fēng)巷，東鄰已回采的4308面。

巷道設(shè)計(jì)長度為772m，該巷道在下二迭統(tǒng)山西組3下煤層及其頂、底板中施工。煤層黑至灰黑色，瀝青、油脂光澤，碎塊狀至條帶狀結(jié)構(gòu)，半亮型，以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤條帶。

內(nèi)生裂隙發(fā)育，充填少量鈣質(zhì)和黃鐵礦薄膜，煤層沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡單，局部有夾矸，夾矸最大厚約0.3m，煤層厚度變化不大，一般在3.8m～4.2m之間，平均3.9m，沿掘進(jìn)方向煤層傾角為-6°～+3°，平均+2°。

2 預(yù)留保護(hù)煤柱寬度的確定

因4310皮帶順槽東側(cè)為4308工作面采空區(qū)，通過對(duì)4310皮帶順槽地質(zhì)條件分析，根據(jù)沿空掘巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，需確定煤柱的合理寬度以便進(jìn)行巷道支護(hù)。

根據(jù)我礦多次沿空掘進(jìn)觀測資料表明，沿空掘巷時(shí)，一般頂板的位移量變化不大，通常在300mm以下，但巷道兩側(cè)近頂板處位移量明顯有較大的差異，一般沿采空區(qū)一側(cè)大于實(shí)煤區(qū)一側(cè)；沿空巷兩幫向巷道內(nèi)的水平移動(dòng)也明顯不同，說明巷道兩幫側(cè)壓也不同，多數(shù)情況下是實(shí)煤側(cè)大于采空側(cè)；此外多數(shù)巷道的兩側(cè)頂壓也不同，一般是靠采空側(cè)頂壓大而靠煤體側(cè)小。

由于煤體邊緣存在低壓區(qū)，沿采空區(qū)側(cè)掘巷時(shí)，煤柱較小對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定較為有利，我們利用4310皮帶順槽地應(yīng)力分布特征，采用煤（巖）體表面相對(duì)位移監(jiān)測方法，數(shù)值模擬了4308工作面采過、穩(wěn)定以后，預(yù)留不同寬度的煤柱對(duì)4310皮帶順槽的施工存在的影響情況。

當(dāng)煤柱過?。ㄐ∮?.5 m）時(shí)，由于工作面采動(dòng)后影響，使圍巖較為破碎，而錨桿錨固力較小支護(hù)不住煤體；當(dāng)煤柱寬度大于6 m后，隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖應(yīng)力也會(huì)變大，兩幫位移量跟著變大；因此為使沿空巷道較易維護(hù)，煤柱寬度以5.0m最為有利，所以將4310皮順保護(hù)煤柱寬度確定為5.0 m。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)

沿空掘進(jìn)時(shí)，為防止采空區(qū)向巷道竄矸或是采空區(qū)積水和有毒有害氣體進(jìn)入巷道，在4310皮帶順槽和4308采空區(qū)之間預(yù)留5m的煤柱，掘進(jìn)過程中無明顯壓力，某些地段可能有水滲出，但不影響掘進(jìn)，局部可能會(huì)有擠幫現(xiàn)象出現(xiàn)。

除了在在支護(hù)參數(shù)和材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以外，還需要使實(shí)際巷道掘進(jìn)寬度比設(shè)計(jì)寬度兩幫各多出200mm，這樣即使擠幫的情況發(fā)生，也不影響巷道的正常使用，不需要花費(fèi)更多的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行巷修。

3.1 支護(hù)材料參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 頂錨桿參數(shù)確定

1）頂板兩側(cè)錨桿長度的確定

頂板兩側(cè)錨桿長度的確定原則是：使其錨固端水平投影伸入兩幫內(nèi)0.5m以上，以保證受到兩幫煤體的有效支撐，從而實(shí)現(xiàn)巷道頂部載荷向兩幫轉(zhuǎn)移，按下式計(jì)算：

式中：

L-傾斜錨桿長度；

L1-要求錨固端水平投影伸入煤體內(nèi)的距離，取L1=0.5m；

L2-傾斜錨桿下端到煤壁的水平距離，取L2=0.3m；β-傾斜錨桿水平面夾角，取β≥75°；

L3-額定錨固長度，取L3=1.0m；

L4-錨桿外露長度，取L4=0.1。根據(jù)錨桿系列長度，取頂板錨桿長度為2.4m。

2）頂錨桿直徑校驗(yàn)

按桿體強(qiáng)度與錨固力相匹配的原則確定桿體直徑。額定錨固力為：

式中：

Φ孔-錨桿孔徑，取27mm；

σ′-錨固劑與孔壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度：取1.45MPa；

L錨—錨固劑長度，取1 000mm；桿體采用20MnSi高強(qiáng)度全螺紋鋼錨桿材料，其直徑應(yīng)滿足π×d2×σs/4≥P錨，則

式中：

d-錨桿桿體直徑；

σs-桿體屈服強(qiáng)度，取540N/mm2；

根據(jù)錨桿系列直徑取d=18mm。

3）頂錨桿間排距

根據(jù)全煤巷道錨桿支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和巷道寬度及服務(wù)年限，確定錨桿間距為0.9m。

錨桿排距L排應(yīng)滿足：

L排 =n×N/[ 2K×r×B×（L-L4）] =5×85/[2×5×2.5×4.2×（2.4-0.1）] =1.76m

式中：

n-每排錨桿棵數(shù)，取5條；N-每棵錨桿錨固力，取85kN；K-安全系數(shù)，取5；r-頂板巖層容重，取2.5t/m3；B-巷道荒寬，取4.2m；L-錨桿長度，取2.4m；L4-錨桿外露，取0.1m；根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合上式計(jì)算，取L排=0.9m。

3.1.2 幫錨桿參數(shù)確定

1）幫錨桿長度

幫=L1+L2+L3=0.827+0.5+0.1=1.427m

式中：

L1-兩幫潛在松塌區(qū)寬度，L1=h×tg（45-Ψ/2）=3.6×tg（45-63.4/2）=0.85m；

L2-幫錨桿的額定錨固長度，取0.5m；L3-幫錨桿外露長度，取0.1m；

根據(jù)錨桿系列長度，取幫錨桿長度為1.8m。

2）幫錨桿桿體直徑校核

幫錨桿選用20MnSi高強(qiáng)度全螺紋鋼錨桿，幫錨桿錨固力初步確定為85kN，選用一支樹脂錨固劑。計(jì)算幫錨桿直徑，幫錨桿桿體直徑應(yīng)滿足額定錨固力要求。

即：

式中：

d-錨桿桿體直徑；

σs-桿體屈服強(qiáng)度，取540N/mm2；

根據(jù)錨桿系列直徑取d=18mm。

3）幫錨桿間排距

為滿足均勻壓縮帶即：“擋固層”有一定厚度的要求，則錨桿間距應(yīng)滿足：D≤2（L幫-L3）/3=2（1.8-0.1）/3=1.13m

為便于施工，幫錨桿間距取1.0 m；幫錨桿排距與頂錨桿相同，取0.9m。

3.1.3 錨索補(bǔ)強(qiáng)加固參數(shù)

根據(jù)錨索支護(hù)機(jī)理，其參數(shù)設(shè)計(jì)可參照錨桿懸吊理論進(jìn)行計(jì)算，巷道頂板潛在破壞范圍如前述，錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)是把這個(gè)范圍的煤巖層錨固到其上部的穩(wěn)定巖層中即可。

1）錨索最小長度Lmin=Lx+Lm+Lw=6.01+1.0+0.2 =7.21m

其中：

Lx-錨索懸吊頂板巖石的厚度；h1-頂煤平均厚度；h2-上部考慮偽頂厚度，取0m；h3-直接頂厚度，取2.71m；Lx=h1+h2+h3=3.3+2.71=6.01m；

Lm-鋼鉸線錨固長度，取1.0m；Lw-錨索漲緊后所需外露長度，取0.2m。

根據(jù)已有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，錨索線最小長度為8m，在施工中根據(jù)老頂層位及巖性變化及時(shí)進(jìn)行修定。

2）錨索間距D

錨索間距D應(yīng)小于錨索長度的一半即：

D＜Lmin/2=3.6m；

考慮巷道寬度B=4.2m，取錨索間距為1.8m，每組錨索布置兩條。

3）錨索排距D'

根據(jù)類似巷道掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，考慮現(xiàn)場施工方便，取D'=1.8m。

巷道永久支護(hù)每隔一排錨桿排打設(shè)一排錨索排加強(qiáng)支護(hù)。

3.2 支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)4310皮帶順槽支護(hù)情況和地質(zhì)條件，用工程類比法進(jìn)行4310皮帶順槽支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，以巷道維護(hù)效果好、支護(hù)成本低、施工速度快為原則確定支護(hù)參數(shù)：

1）錨桿：頂板采用左旋高性能螺紋鋼錨桿規(guī)格為Φ20mm×2400mm，錨桿間排距為900mm×900mm，頂板錨桿必須使用配套的金屬墊圈和塑料減磨墊圈；兩幫采用20MnSi高強(qiáng)度全螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ18mm×1800mm，兩幫錨桿間排距均為1000mm×900mm；

2）螺母：頂板錨桿螺母采用與錨桿配套的專用緩沖螺母和減磨墊圈，兩幫錨桿螺母采用M18鑄鋼螺母；

3）錨固劑：頂、幫錨桿每條均使用2塊MSCK23/50樹脂錨固劑固定；

4）金屬網(wǎng)：頂板、兩幫均采用10#鐵絲編制而成的網(wǎng)孔50mm×50mm的菱形金屬網(wǎng)搭接使用；

5）T型鋼帶、異型鋼帶： 頂板均使用T型鋼帶，規(guī)格為3800mm×100mm×10mm，兩幫異型鋼帶采用卷邊厚度6mm、中間4mm的型材制作，規(guī)格為長×寬=2600mm×80mm；

6）托盤：頂板錨桿托盤采用規(guī)格為160mm×100mm×10mm的T型鋼制作，兩幫錨桿托盤采用鋼板沖壓制作，規(guī)格為120mm×120mm×10mm；

7）錨索：錨索鋼鉸線采用Φ17.8mm的低松馳預(yù)應(yīng)力左旋鋼鉸線，其長度不低于8 000mm，使用1塊MSCK23/50樹脂錨固劑和3塊MSK23/50樹脂錨固劑固定，配套鎖具型號(hào)為QLKM19單孔錨索索具，錨索線托盤采用鋼板制作，規(guī)格為長×寬×厚=90mm×80mm×8mm。

4 巷道礦壓觀測方案

為觀測巷道在掘進(jìn)期間、掘后穩(wěn)定期間及受工作面采動(dòng)影響期間圍巖的活動(dòng)規(guī)律及支護(hù)效果，獲得沿空掘進(jìn)圍巖變化的資料，我們?cè)谙锏谰蜻M(jìn)過程中設(shè)置相應(yīng)的觀測點(diǎn)，對(duì)巷道的各個(gè)參數(shù)情況進(jìn)行科學(xué)觀測。

一般情況下，每隔100m距離（在巷道壓力較大地點(diǎn)，每隔30m～50m距離）在巷道頂板安設(shè)一個(gè)頂板離層觀測儀；頂板離層儀從安裝完畢到距離掘進(jìn)工作面50m期間安排專人每班測讀一次。

距掘進(jìn)工作面50m后，單位時(shí)間下沉量大于10mm/周時(shí)，每兩天測讀一次；5mm/周時(shí)～10mm/周時(shí)，每半月測讀一次；小于5mm/周時(shí)每月測讀一次，并將測讀結(jié)果記錄好，整理后記錄到臺(tái)帳上。

對(duì)于復(fù)雜地段如斷層及圍巖破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)、頂板淋水區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、巷道穿層地段、瓦斯異常區(qū)、大斷面、大跨度巷道等地段除安設(shè)頂板離層儀外，同時(shí)，標(biāo)設(shè)檢測點(diǎn)，每組四個(gè)，一般情況下把點(diǎn)設(shè)置在錨桿頭，每隔10m一組，每天觀測一次，記錄觀測巷道的頂、底板及兩幫位移量。

在頂板總下沉量超過30mm時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀測，總下沉量超過巷道頂板離層臨界值50mm時(shí)，應(yīng)補(bǔ)打錨索，采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

5 結(jié)論

采空區(qū)對(duì)巷道的支護(hù)影響是比較大的，與普通巷道比較，支護(hù)相對(duì)困難，通過對(duì)支護(hù)材料及參數(shù)的優(yōu)化，使4310皮帶順槽沿空掘進(jìn)安全順利的完成了施工，既保證了安全生產(chǎn)，又加快了掘進(jìn)速度，解決了我礦生產(chǎn)接替緊張問題，提高了資源回收率，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張貴山.沿空留巷護(hù)巷材料的選擇[J].礦山壓力與頂板管理，1984.

[2]張洪鵬，曹忠，江兆利.復(fù)合軟巖頂板、松軟煤層沿空掘巷理論探討[D].2005年度山東煤炭學(xué)會(huì)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文集，2005.