礦井沿空大斷面順槽支護設(shè)計與應(yīng)用

李海偉

(兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦)

礦井沿空大斷面順槽支護設(shè)計與應(yīng)用

李海偉

(兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦)

東灘煤礦埋深大、地壓高、斷層多、煤層含夾矸，深部開采礦壓顯現(xiàn)明顯、支護困難，巷道收縮變形量大，嚴(yán)重制約了回采工作面安全生產(chǎn)。為此，綜合煤層結(jié)構(gòu)、礦壓規(guī)律、巷道布置和支護方式等綜合因素，優(yōu)化了巷道布置、斷面參數(shù)和支護參數(shù)設(shè)計，實施了大斷面高可靠性順槽支護技術(shù)，有效改變了綜放面沿空順槽變形收縮的被動局面，確保了礦井安全高效生產(chǎn)。

深部開采 沿空順槽 倒梯形大斷面 錨網(wǎng)帶支護

東灘煤礦位于兗州煤田的深部，一采區(qū)為目前主采區(qū)，回采煤層為二疊系山西組3煤層，開采深度517.4～592.1 m。沿空順槽礦壓顯現(xiàn)明顯，頂板下沉量大，鼓幫嚴(yán)重，順槽維護困難，制約了工作面快速推進。經(jīng)過幾年的摸索和實踐，優(yōu)化了巷道斷面和支護設(shè)計，沿空順槽采用倒梯形大斷面，錨網(wǎng)帶—錨索聯(lián)合支護，鄰面采空區(qū)采用小煤柱布置，兩順槽間距8.5 m，取得了較好的成效，滿足了安全生產(chǎn)的要求。

1 綜放工作面順槽原支護設(shè)計

(1)順槽支護參數(shù)。綜放工作面順槽原設(shè)計為梯形斷面，兩幫12°扎角，頂板夾矸下平面掘進，凈寬4 500 mm，凈高3.2 m。頂部采用長3.8 m鋼帶，打φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，巷中布置一排錨索;兩幫各布置4根φ20 mm×2 000 mm 全長等強全螺紋鋼錨桿;頂、幫分別敷設(shè)采用10#鐵絲編織的菱形網(wǎng)。

(2)存在問題和原因分析。工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)非常劇烈，斷面收縮嚴(yán)重。1303和1304工作面回采期間沿空順槽超前壓力影響范圍達到210～300 m，巷道兩幫移近量最大達到3 m，底鼓量最大達到2.0 m，斷面收縮至不到2.5 m2，嚴(yán)重影響通風(fēng)、運輸、行人及工作面端頭維護和正常推進。

綜合分析認為，導(dǎo)致這種情況的原因主要有以下幾個方面：①順槽斷面小，缺少圍巖變形空間；②順槽掘進層位選擇不合理，頂板托夾矸掘進，該夾矸穩(wěn)定性極差，特別是工作面回采期間，受超前應(yīng)力影響，頂板下沉量大，難以維護；③大扎角梯形斷面在兩幫上部區(qū)域易形成支護弱面，回采期間兩幫煤體承載性能低，給圍巖應(yīng)力釋放提供了條件；④幫部支護強度低，未采用幫部施工錨索加強支護。

2 大斷面高可靠性順槽支護設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，經(jīng)過理論計算，設(shè)計沿空順槽實施大斷面高可靠性支護方案。

(1)加大順槽幾何尺寸，預(yù)留圍巖變形空間。根據(jù)順槽回采期間的變形量，以及保障工作面正?；夭伤枰目臻g進行斷面優(yōu)化，將順槽幾何尺寸由13.8 m2加大到22 m2以上，將鋼帶長度由3.8 m增加到4.8 m，巷道凈寬達到4.9 m，凈高增加到3.8～4.2 m[1]。

(2)合理選擇掘進層位，減小圍巖應(yīng)力積聚。在選擇大斷面支護的基礎(chǔ)上，沿夾矸上平面穩(wěn)定層位掘進，底板不留煤，沿3下煤底板巖石掘進。

(3)優(yōu)化巷道斷面形狀，增強巷道整體承載性能。將支護斷面由梯形、兩幫87°扎角改為倒梯形、兩幫92°扎角，強化兩幫的承重作用，降低應(yīng)力集中時承載不均衡形成的兩幫上部支護弱面，減小兩幫上部圍巖移近量。

(4)強化幫部支護，實施讓支結(jié)合，增強圍巖穩(wěn)定性。針對兩幫上部夾矸部位的圍巖弱化區(qū)，從頂板至夾矸以下300 mm范圍兩幫敷設(shè)由8#鐵絲編制的雙層金屬網(wǎng)；幫部繼續(xù)使用等強全螺紋錨桿，既能避免錨桿在應(yīng)力條件下從尾部弱面破斷，又能實現(xiàn)煤體破碎片冒落后通過緊固錨桿達到二次支護的效果。沿空順槽在沿空幫上部夾矸區(qū)域正常支護的兩排錨桿中間分別交叉布置錨桿、錨索，加強幫部支護，回采幫采用2.0 m鋼帶，兩端打注錨索加強支護，控制圍巖變形。

3 工程實例

3.1 工作面概況

東灘煤礦1307綜放工作面位于一采區(qū)中上部，南鄰1306工作面(已采)，北臨1308工作面(未采)。1307軌順沿空布置，與1306運順巷中間距8.5 m布置(如圖1所示)。巷道沿3煤底板掘進，3煤厚8.5～9.1 m，f=2～3，3煤底板之上3.1～3.4 m處含一層泥巖夾矸，厚0.3～0.45 m，f=3～4；3煤直接底板為粉砂巖，厚1.25～2 m，f=4～5；3煤直接頂板為泥巖或粉砂巖，厚2.88～5.18 m，f=4～5.

圖1 沿空順槽位置關(guān)系示意

3.2 施工設(shè)計

1307軌順沿空順槽設(shè)計為倒梯形斷面，錨網(wǎng)帶與錨索聯(lián)合支護(如圖2所示)。 采用EBZ150型掘進機截割，SGB-620/40T刮板運輸機搭接DSJ80/40/2×40型皮帶輸送機出煤[2]。

圖2 沿空順槽支護斷面(單位：mm)

1307軌順頂板沿夾矸上平面掘進，底板沿3下煤底板掘進。當(dāng)3上煤與3下煤夾矸上平面至3下煤底板厚度大于4.5 m時，頂板沿3上煤與3下煤夾矸上平面掘進，巷道高度按3.8 m控制底板預(yù)留部分底煤；當(dāng)3上煤與3下煤夾矸上平面至3下煤底板厚度3.8～4.5 m時，頂板沿3上煤與3下煤夾矸上平面掘進，巷道底板沿3下煤底板掘進；當(dāng)3上煤與3下煤夾矸上平面至3下煤底板厚度小于3.8 m時，巷道底板沿3下煤底板掘進,頂板破3上煤，確保巷道高度不低于3.8 m；施工過程中必須確保底板左右水平，前后平緩過渡,嚴(yán)禁出現(xiàn)急彎陡坡[3]。

3.3 支護方式

采用錨網(wǎng)帶與錨索聯(lián)合支護，按懸吊理論計算錨桿參數(shù)，鋼帶排距800 mm。

(1)錨桿長度計算：

L=KH+L1+L2,

(1)

(2)

式中,L為錨桿長度，m；H為冒落拱高度，m；K為安全系數(shù)，一般取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定煤層的深度，按經(jīng)驗取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，取0.1 m；B為巷道開掘?qū)挾?中凈寬)，取4.9 m；f為煤堅固性系數(shù)，取3。

將各參數(shù)代入式(1)、式(2)，計算得H=0.82 m，L=2.24 m.

(2)錨桿間距、排距計算(通常間排距相等)：

(3)

式中,a為錨桿間、排距，m；Q為錨桿設(shè)計錨固力，100 kN/根(幫部錨桿錨固力)；r為被懸吊煤的重力密度，取13.2 kN/m3。

將各參數(shù)代入式(3)，計算得a=1.75 m.

通過以上計算，頂部可采用φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為750 mm×800 mm；幫部采用φ20 mm×2 000 mm的全螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；采取錨桿緊跟迎頭的支護方式。

(3)錨索長度選擇。煤層厚度+頂部軟巖厚度+錨索外露長度+錨入穩(wěn)定巖層長度-巷道截割高度=7.91 m。考慮頂網(wǎng)及錨索托盤等材料厚度，錨索長度取8.5 m。

3.4 支護參數(shù)

(1)順槽采用錨網(wǎng)帶、錨索聯(lián)合支護，倒梯形斷面，兩幫92°扎角，上凈寬5 000 mm，中凈寬4 900 mm，下凈寬4 850 mm，凈高3 800 mm。

(2)巷道頂部使用長4 800 mm(7組孔)的兩端頭眼孔為滑孔的梯型鋼帶，鋼帶兩端頭錨桿與水平成75°角斜向上打注，其他垂直頂板打注；隔排距巷中布置一根錨索，錨索排距1 600 mm，支護有效的錨索滯后迎頭不大于4 m打注，頂板破碎或煤炮頻繁時緊跟迎頭打注。

(3)巷道頂幫掛設(shè)金屬菱形網(wǎng)，兩幫肩窩至夾矸下平面以下300 mm范圍敷設(shè)雙層金屬網(wǎng)；當(dāng)3上煤與3下煤夾矸上平面至頂板距離大于1.5 m時，兩幫肩窩以下1 m范圍敷設(shè)雙層金屬網(wǎng)。兩幫每排各布置5根錨桿，錨桿上下間距800 mm，鋼帶向下不大于200 mm為第一根錨桿，兩幫第一根錨桿與水平成15°～25°仰角打注，第2～第4根錨桿垂直煤壁打注，第5根錨桿斜向下與水平成15°～20°俯角打注，距底板不超過800 mm，保證錨桿托盤壓緊金屬網(wǎng)。

(4)施工中每循環(huán)架一排鋼帶(排距800 mm)，兩幫上部2根錨桿一排一打，第3根錨桿可滯后迎頭兩排打注，第4根錨桿可滯后迎頭3排打注，第5根錨桿可滯后迎頭6排打注，當(dāng)幫部煤壁松軟、片幫時緊跟迎頭打注[4]。

(5)沿空幫(南幫)在相鄰的正常支護錨桿中間分別隔排布置錨索，排距為1 600 mm。錨索布置方式：在頂板以下500 mm位置按25°～35°仰角打注一根5 m長錨索，在幫部中間位置垂直煤壁打注一根3.5 m長錨索。

(6)實體煤幫(北幫)在正常支護錨桿中間分別隔排布置錨索,排距為1 600 mm。錨索布置方式：在頂板以下500 mm位置按25°～35°仰角打注一根8.5 m長錨索，在下方1.5 m位置垂直煤壁打注一根8.5 m長錨索,錨索打注后敷設(shè)長度為 2 m 鋼帶(鋼帶兩錨桿孔距離1.5 m)，代替錨索托盤進行緊固。

(7)幫上部錨索滯后迎頭不大于4 m，下部錨索滯后迎頭不大于30 m打注，幫錨索打注后均安裝YJT25-30型讓壓環(huán)。

(8)特殊條件下巷道超高時，在相鄰兩排錨桿下方中間補打φ20 mm×2 000 mm全螺紋鋼錨桿。

(9)幫部片落形成低洼點時，及時在該處打注φ20 mm×1 000 mm全螺紋鋼錨桿；頂板破碎形成網(wǎng)兜時，必須在兩排鋼帶中間補打φ20 mm×2 000 mm全螺紋鋼錨桿(配150 mm×150 mm×10 mm鐵托盤)進行壓網(wǎng)，錨桿左右間距為800 mm。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)東灘煤礦地質(zhì)特征，工作面沿空順槽實施倒梯形大斷面設(shè)計，有效提高了巷道整體支護強度，降低了圍巖變形量，改善了支護效果。經(jīng)過對1305、1306工作面軌順回采期間的圍巖變形量觀測，圍巖變形后順槽寬度最小2.8 m，平均3.3 m，有效保障了工作面回采期間的作業(yè)空間。

(2)通過實施順槽大斷面支護，預(yù)留了工作面回采時的圍巖變形空間。在工作面超前應(yīng)力釋放圍巖變形后的空間，能夠保障工作面的正常生產(chǎn)需要，降低了超前支護成本，減少了巷道擴修、維護工作量，減輕了勞動強度、提高了巷道斷面利用率，確保工作面安全、高效生產(chǎn)，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

[1] 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[2] 侯朝炯，郭勵生，勾攀峰.煤巷錨網(wǎng)支護[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[3] 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1984.

[4] 趙巖峰，劉福軍.極松散煤層全煤巷道頂板全錨索支護技術(shù)的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2002,30(11):33-36.

2015-04-02)

李海偉(1975—)，男，工程師，273512 山東省鄒城市。