近距離煤層采空區(qū)下回采工作面順槽支護(hù)方案優(yōu)化

魯松林

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)富康源煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

1 礦井概況

富康源礦屬于資源整合礦井，位于位于鄉(xiāng)寧縣臺(tái)頭鎮(zhèn)神角村，井田面積為9.75 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a，井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。10503 工作面現(xiàn)主要開采山西組2#、3#煤層，采用的是綜采放頂煤采煤工藝，主斜副立開拓方式，現(xiàn)有井筒4 個(gè)，批準(zhǔn)開采1#～10#煤層，現(xiàn)采2#、3#煤層，開采水平+670 m，煤層自燃傾向性為自燃，水文地質(zhì)類型中等。以往開采過程中待2#煤采空區(qū)穩(wěn)定后，3#煤工作面兩順槽支護(hù)主要采用工字鋼棚支護(hù)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、運(yùn)輸量大、準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、采掘銜接緊張。為改變支護(hù)形式、提高巷道掘進(jìn)速度、提高采掘效率，研究3#煤順槽采用錨桿（索）+金屬網(wǎng)+鋼帶聯(lián)合支護(hù)，改善巷道圍巖壓力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 二采區(qū)情況

二采區(qū)位于井田中西部即F3 斷層以西，西部、南部、北部以井田邊界為界，上部為一采區(qū)；二采區(qū)東西長(zhǎng)約1 470 m，南北長(zhǎng)約2 200 m，2#煤層可采區(qū)總面積約3.307 2 km2；二采區(qū)內(nèi)2#、3#煤層工業(yè)資源儲(chǔ)量為12 842 kt，生產(chǎn)能力為0.90 Mt/a。二采區(qū)2#煤層平均煤厚度為0.97 m，3#煤層平均煤厚度為3.25 m；10#下煤層工作面運(yùn)輸、回風(fēng)順槽均沿1 #下煤層底板掘進(jìn)，為矩形斷面，運(yùn)輸順槽尺寸為寬4.8 m，高2.8 m，斷面積13.44 m2，回風(fēng)順槽寬4.5 m，高2.8 m，斷面積12.60 m2。

3 順槽支護(hù)參數(shù)確定

由于考慮2#、3#煤層為近距離煤層，2#煤層與3#煤層層間距為1.79 m～3.49 m，平均2.83 m，為避開2#煤層開采期間動(dòng)壓影響3#煤層巷道支護(hù)，設(shè)計(jì)10#下煤層順槽外錯(cuò)7 m（中-中）布置；若2#、3#煤層距離3 m 以上，3#煤層順槽支護(hù)采用錨桿（索）+金屬網(wǎng)+鋼帶聯(lián)合支護(hù)；若2#、3#煤層距離1.79 m～3.00 m，10#下煤層順槽支護(hù)采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼棚聯(lián)合支護(hù)。現(xiàn)將錨桿（索）相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下：

3.1 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

3.1.1 錨桿長(zhǎng)度的確定

根據(jù)錨桿作用機(jī)理和懸吊作用理論，錨桿施工長(zhǎng)度計(jì)算如式（1）。

式中：L 為錨桿長(zhǎng)度，m；L外露為外露長(zhǎng)度，m；L有效為有效長(zhǎng)度，m；L錨固為錨固長(zhǎng)度，m。錨桿外露長(zhǎng)度L外露的確定：L外露=墊板厚度+螺母厚度+（0.02m～0.03m）；一般L外露=0.15 m。

錨桿有效長(zhǎng)度L 的確定：在松散介質(zhì)及中硬以下 巖石，以及小跨度地下空間，可以采用M.M.普羅托奇·雅可諾夫的拋物形壓力拱理論估計(jì)冒落帶高度：

當(dāng)f≥3 時(shí)計(jì)算公式為式（2）；

當(dāng)f＜3 時(shí)計(jì)算公式為式（3）。

式中：K 為安全系數(shù)，取1.5～2；b 或b1為圍巖松動(dòng)圈冒落高度，m；B-巷道開掘?qū)挾龋?#煤層取B=4.8 m；f 為巷道頂板的巖石普氏堅(jiān)固性系數(shù)，3# 煤層取2.5；f頂為頂板巖石普氏系數(shù)，取2.5；反算f頂=arctan（2.5）=68.2。因此，3#煤層頂錨桿L 有效采用下式計(jì)算：

3#煤層幫錨桿：

錨桿錨固長(zhǎng)度L錨固的確定：按經(jīng)驗(yàn)L錨固=0.3 m～0.4 m。

3#煤層順槽頂錨桿長(zhǎng)度L=0.15+1.18+0.3=1.63 m，取2.0 m；幫錨桿長(zhǎng)度：L=0.15+0.54+0.3=0.99 m，取1.8 m。

3.1.2 錨桿間排距

根據(jù)每根錨桿懸吊載荷大小確定錨桿間距（a）、排距（b），即錨桿懸吊巖石載荷（G=abL2γ）小于或等于錨桿的錨固力（Q）?？紤]安全系數(shù)K 的情況下則Q計(jì)算公式見式（4）。

式中：a、b 為錨桿間距、排距，m；γ 為被懸吊軟弱巖平均容重，取25 kN/m3；K 為安全系數(shù)，一般取K=1.3～1.8，考慮到松軟巖層不穩(wěn)定，K=1.8；l2為軟弱巖層厚度或冒落拱高度，取1.22 m；Q 為錨桿錨固力（以Φ20 mm 螺紋鋼計(jì)算，屈服強(qiáng)度σ屈=340 MPa）。

則頂錨桿間排距計(jì)算結(jié)果為：本次設(shè)計(jì)考慮到礦方實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，3#煤層順槽幫、頂錨桿采用Φ22 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿時(shí)，運(yùn)輸順槽間排距為900 mm×800 mm，回風(fēng)順槽間排距為800 mm×800 mm。

3.1.3 錨桿直徑的確定

按錨桿桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則，確定錨桿直徑d 錨桿計(jì)算公式為式（5）。

式中：d 錨桿為直徑，m；Q 錨固力為錨固力，取107 kN；t 為桿體材料本身的抗拉強(qiáng)度，520 MPa。錨桿直徑大于16.2 mm 可滿足支護(hù)需要，按礦方支護(hù)經(jīng)驗(yàn)頂、幫錨桿取Φ22 mm 的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)的確定

3.2.1 錨索長(zhǎng)度的確定

錨索長(zhǎng)度的計(jì)算公式：X=X外露+X軟弱巖層+X錨固=0.25+2.5+1.3=4.05 m 取5.2 m。式中：X外露為外露長(zhǎng)度，取0.25 m；X軟弱巖層為潛在軟弱巖層高度，取2.5 m；X錨固為錨索錨固長(zhǎng)度，取1.3 m。X錨固≥fst/πfcs。其中：d鋼為鋼絞線直徑，mm；d鋼=（1 860/3.14×10）×21.6=1 279 mm，設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度為1.3 m＞1.279 m，fst為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，MPa；fcs為錨索與錨固劑的設(shè)計(jì)粘接強(qiáng)度，按10 MPa 計(jì)算。

3.2.2 錨索間距

3#煤層兩順槽巷道寬度分別為4.8 m 和4.5 m，頂錨桿間距分別為900 mm 和800 mm，設(shè)計(jì)每排布置3 根錨索，間距分別為1 800 mm 和1 600 mm。

3.2.3 錨索排距

根據(jù)錨桿失效時(shí)，上覆巖石質(zhì)量需錨索承擔(dān)，錨索數(shù)應(yīng)滿足公式（6）。

式中：N 為錨索數(shù)目，10#下煤層每排取3 根；K 為安全系數(shù)，取2；P斷為鋼絞線最低破斷力，取350 kN；W 為被懸吊巖石的自重，kN，W 計(jì)算公式見式（7）。

式中：B 為巷道掘進(jìn)巷寬，m；D 為排距，m；∑h 為巖石厚度，取1.22 m；∑γ 為巖石平均容重，25 kN/m3。通過以上公式，確定錨索排距應(yīng)滿足設(shè)計(jì)需求。

結(jié)合礦方支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及頂錨桿排距，3#煤層兩順槽錨索排距為1 600 mm。

3.3 工字鋼棚支護(hù)確定

若2#、3#煤層距離1.79 m～3.00 m，3#煤層順槽支護(hù)采用錨桿+金屬網(wǎng)+工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)煤層間距圖，2#、3#煤層距離1.79 m～3.00 m開完后，采用錨桿+鋼網(wǎng)初次支護(hù)后，11# 工字鋼加木垛支護(hù)，及時(shí)維護(hù)圍巖，防止塌方、冒頂。巷道斷面特征表詳見表1。

表1 巷道斷面特征表

4 效果分析

富康源礦3#煤層運(yùn)輸（回風(fēng)）順槽順槽頂錨桿采用Φ22 mm 的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×800 mm，長(zhǎng)度1 800 mm（2 000 mm）；運(yùn)輸（回風(fēng)）順槽錨索采用Φ21.6 mm、長(zhǎng)度為5 200 mm 的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索間排距為1 800 mm（1 600 mm）×1 600 mm，每排3 根。順槽采用上述支護(hù)方法后，掘進(jìn)隊(duì)組由原來100 m/月提高到180 m/月采掘銜接順暢，有效控制圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了很好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

5 結(jié)語

通過富康源10503 工作面巷道的順利掘進(jìn)，設(shè)計(jì)總結(jié)出了一套完整的極近距離煤層采空區(qū)下順槽巷道掘進(jìn)技術(shù)，為后續(xù)的采掘銜接奠定技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也為富康源礦近距離煤層開采提供一套了可靠的掘進(jìn)安全保障系統(tǒng)，體現(xiàn)出顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。