東峰煤礦3201 工作面沿空留巷支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

米 波

（山西蘭花集團(tuán)東峰煤礦有限公司，山西 高平 048000）

1 工程概況

東峰煤礦位于山西省高平市，3201 綜采工作面位于東峰煤礦有限公司二采區(qū)西翼，南側(cè)為二采區(qū)膠帶上山，西側(cè)為3201 軌道順槽，北側(cè)為東峰煤礦與南陽煤礦邊界線，東側(cè)為實(shí)體煤。3201工作面開采3 號(hào)煤層，平均傾角為5°，平均厚度為5.93 m。直接頂為3.01 m 厚的粗粉砂巖，基本頂為3.57 m 厚的中粒砂巖，直接底為0.7 m 厚的泥巖，基本底為4.96 m 厚的泥巖。3201 軌道順槽為沿空留巷，順槽長度為2 372.8 m，如圖1 所示。

圖1 3201 工作面工程平面圖

3201 軌道順槽設(shè)計(jì)尺寸為5.2×3.3 m，沿煤層底板掘進(jìn)，原設(shè)計(jì)支護(hù)方式為錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)。在施工過程中巷道成型差，圍巖變形量嚴(yán)重，無法保證沿空留巷的安全穩(wěn)定。

2 沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 巷旁支護(hù)

（1）巷旁充填參數(shù)

綜合考慮巷道的功能，確定沿空留巷尺寸為5.2×4 m，設(shè)計(jì)巷旁充填體支護(hù)寬度為1.2 m，支護(hù)斷面如圖2 所示。

圖2 沿空留巷支護(hù)橫斷面

在原有錨桿+錨索支護(hù)方式下，增加金屬網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在頂板原有錨索每排布置2 根基礎(chǔ)上，補(bǔ)強(qiáng)2 根錨索。

巷旁支護(hù)采用不低于C40 的高強(qiáng)度混凝土充填體、對(duì)拉錨栓和鋼筋鋼帶進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。錨栓采用直徑為22 mm、長度為1.45 m 的左旋無縱筋螺紋鋼，兩端設(shè)有長度大于等于100 mm 的螺紋，規(guī)格為M24，布置間排距為700 mm×750 mm。在墻體澆筑成型1 d后通過扭矩扳手給錨栓施加300 N·m 的預(yù)緊扭矩。錨栓托盤尺寸不低于150 mm×150 mm×12 mm，托盤承載能力大于23 t。

采用Φ16 mm 圓鋼焊接鋼筋鋼帶，橫向鋼筋鋼帶長度分別為1900 mm、3000 mm 和3400 mm，對(duì)應(yīng)2000 mm、3000 mm 和4000 mm 長柔性模板。鋼筋鋼帶扣距80 mm。

（2）留巷壓力計(jì)算

巷旁支護(hù)主要受力為直接頂巖層的重力和基本頂轉(zhuǎn)動(dòng)的壓力。直接頂重力可以由下式計(jì)算：

式中：l 為沿空留巷控頂寬度，b 為直接頂巖塊的寬度，Σh 為直接頂高度，p 為直接頂巖塊的密度。Σh 的大小以填滿采空區(qū)為準(zhǔn)，Σh=h1/（k0-1），其中h1為采高，k0為巖層的碎脹系數(shù)，取1.25～1.5。則直接頂巖柱的重量為W=（2～4）lbh1p。

基本頂轉(zhuǎn)動(dòng)壓力可以由實(shí)測動(dòng)壓系數(shù)（一般取值小于2）進(jìn)行估算，巷旁支護(hù)最大載荷Qm可表示為Qm=ηW=（4～8）lbh1p。安全起見，則巷旁支護(hù)最大工作載荷取8 倍采高巖柱的重量作為設(shè)計(jì)荷載。

據(jù)3201 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，采高為5.82 m，頂板容重取25.6 kN/m3，沿空留巷控頂寬度為5.2 m，則計(jì)算得到留巷的最大載荷為6 198.07 kN/m。

（3）墻體承載力驗(yàn)算

與素混凝土相比，柔?；炷恋膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線僅在應(yīng)力超過混凝土抗壓強(qiáng)度后才表現(xiàn)出明顯的不同，即形成強(qiáng)化作用。柔?；炷恋膹?qiáng)度和延性都得到提高。柔模混凝土墻體的承載力計(jì)算公式為：

式中：σr為錨栓的約束應(yīng)力，取0.29 MPa；N2為巷旁支護(hù)的承載能力；Acor為環(huán)向包裹內(nèi)混凝土面積，矩形截面Acor=bh；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

代入得柔模混凝土墻體承載力為21 880.8 kN/m，大于留巷的最大載荷6 198.07 kN/m（安全系數(shù)1.5）。

2.2 采空區(qū)圍護(hù)

（1）架前鋪網(wǎng)

在機(jī)尾側(cè)3 組過渡支架架前頂板鋪設(shè)雙層菱形金屬網(wǎng)。金屬網(wǎng)采用8#鐵絲編織而成，鋪網(wǎng)長度為：過渡架3 架4500 mm+采高2600 mm+采空區(qū)壓矸石長度1500～2000 mm= 9100 mm。金屬網(wǎng)一側(cè)延伸至巷內(nèi)與軌道巷頂板金屬網(wǎng)綁扎牢靠，采用16#鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，隔孔相連，網(wǎng)片對(duì)接。金屬網(wǎng)自然延伸，移架后金屬網(wǎng)落地、兜矸。

（2）架前錨索圍護(hù)頂板

根據(jù)井下實(shí)際留巷經(jīng)驗(yàn)可知，頂煤和直接頂垮落后，僅靠金屬網(wǎng)不能有效阻擋采空區(qū)矸石，需要在軌道巷回采側(cè)煤幫設(shè)置錨索。參數(shù)為：Φ17.8×5300 mm，外露150～250 mm。錨固劑：S2360 型1 卷，Z2360 型2 卷。錨索最大間距不應(yīng)超過1200 mm。

（3）沿空留巷擋矸支架

表1 沿空留巷擋矸支架主要技術(shù)參數(shù)

2.3 臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)

2.3.1 臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

（1）超前工作面臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，超前工作面臨時(shí)支護(hù)范圍不少于20 m，考慮到超前工作面切頂爆破的影響，確定超前工作面支護(hù)范圍為30 m。在超前工作面30 m 范圍內(nèi)沿巷道走向利用單體支柱配合π 型鋼梁打一梁四柱抬棚，單體柱間距900±100 mm，每排4 根單體液壓支柱，π 型梁長度3800 mm。在壓力較大區(qū)域，在柔模墻體頂部橫向布置廢舊鋼梁。

（2）滯后工作面臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

在滯后工作面250 m 范圍內(nèi)沿巷道走向利用單體支柱配合π 型鋼梁打一梁四柱抬棚，間距900±100 mm。第一排π 型梁距煤幫500 mm，第二排距煤幫1900 mm，第三排距煤幫2700 mm，第四排距墻300 mm，π 型鋼梁長度3800 mm。臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)平面如圖3 所示。

圖3 沿空留巷臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)平面圖

2.3.2 臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)煤層頂?shù)装迩闆r可知，頂煤厚度約3.3 m，頂板錨桿尚在頂煤體內(nèi)，未穿過砂質(zhì)泥巖直接頂，錨索錨固段在細(xì)砂巖基本頂內(nèi)。因此，頂板錨桿支護(hù)的主要作用是提高頂煤的完整性，懸吊作用不明顯。頂板錨索的主要作用是將頂煤體與砂質(zhì)泥巖直接頂組合在一起，并與細(xì)粒砂巖基本頂組合成深梁，共同承載變形。

超前工作面每延米巷道頂煤體重：5.2 m×3.3 m×1 m×14.2 kN/m3=243.67 kN。超前工作面每延米巷道直接頂?shù)闹亓浚?.2 m×2.0 m×1 m×26 kN/m3=270.4 kN。超前工作面每延米巷道頂板錨索的預(yù)緊力不低于：250 kN/根×5 根=1250 kN。

滯后工作面每延米巷道頂煤體重：4.0 m×3.3 m×1 m×14.2 kN/m3=187.44 kN。滯后工作面每延米巷道直接頂?shù)闹亓繛椋?.0 m×2.0 m×1 m×26 kN/m3=208 kN。滯后工作面每延米巷道頂板錨索的預(yù)緊力不低于：250 kN/根×3.9 根=975 kN。

由此可見，超前或滯后工作面錨索預(yù)應(yīng)力大于頂煤體和直接頂重量，通過頂板錨索預(yù)應(yīng)力可將頂煤與砂質(zhì)泥巖直接頂牢固組合為一個(gè)整體。為了防止支承壓力造成錨桿支護(hù)失效，破壞頂煤完整性，需要通過臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)將頂煤體和直接頂托住。

超前工作面臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度為：300 kN/根×4.44 根/m=1332 kN/m，頂煤體和直接頂重量之和為514.07 kN，安全系數(shù)為2.59＞2。因此，超前工作面橫向一排四柱加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)滿足控頂要求。

滯后工作面臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度為：300 kN/根×4.44 根/m=1332 kN/m，頂煤體和直接頂重量之和為359.44 kN，安全系數(shù)為3.7＞2。因此，滯后工作面橫向一排四柱加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)滿足控頂要求。

3 應(yīng)用效果

3201 軌道順槽沿空留巷后，在巷道四周布置位移測點(diǎn)，測量圍巖變形量，通過記錄、收集、分析數(shù)據(jù)，3201 軌道順槽頂?shù)装逡平?80 mm，兩幫移近量達(dá)到120 mm，可以滿足沿空留巷的正常使用需求。