花草滩煤矿深部区域回采巷道窄煤柱沿空掘巷支护 技术与研究

花草滩煤矿深部区域回采巷道窄煤柱沿空掘巷支护 技术与研究

孙向兵1 ,路长平2

1. 江苏省矿业工程集团有限公司花草滩煤矿   甘肃 张掖 734113

2.江苏省矿业工程集团有限公司安装分公司  江苏徐州   221000  

[摘 要]：本文从煤矿巷道掘进支护功能，在沿空掘巷期间使巷道围岩发生变形有效降低，提高巷道围岩稳定性，改善巷道维护状况，保障现场施工人员生命安全出发。以甘肃省张掖市花草滩煤矿1#煤1109综采工作面为背景，通过分析该工作面的地质赋存条件，结合煤巷两帮煤体应力和极限平衡理论、数值计算和经验法、多种矿压监测手段，不断完善优化窄煤柱沿空掘巷支护设计，为矿井深部区域留设6m窄煤柱的1109回风顺槽安全快速掘进提供技术保障。

[关键词]：窄煤柱  沿空掘巷  支护优化   矿压分析

1前言

煤柱尺寸不仅对巷道围岩的稳定性有很大影响，而且影响煤炭资源回收率；过大的煤柱尺寸虽然对巷道维护有利，但会造成煤炭资源的巨大浪费。根据井田煤岩层结构情况及矿压显现规律，研究工作面煤柱尺寸留设、窄煤柱掘进巷道支护优化安全等问题，已成为矿井可持续发展在回采巷道支护技术改革的主要方向。所以，笔者根据自己在煤矿多年来的工作经验，分析、研究了花草滩煤矿深部区域1109工作面回采巷道窄煤柱沿空掘巷技术，并应用于实验现场后，既提高了资源回收率，延长矿井服务年限，还加强沿空掘巷整体稳定性，保证矿井采掘接续正常，可以在本地区或相近地质情况下工作面安全生产提供参考依据和推广应用。

2工程概况

2.1工作面位置和范围

花草滩煤矿1109回风顺槽布置在1#煤层中，由于煤层平均厚度 1.81m属于中厚煤层，回采巷道均为沿煤层顶板布置的半煤岩巷道，1109回风顺槽南侧为邻近已采1107面采空区，西侧为轨道暗斜井，东侧和北侧都为实体煤，巷道埋深720m~780m。

2.2煤层顶底板情况

1109工作面采煤1为黑色，块状，半亮型煤、亮煤或镜煤。节理较发育， 被钙质薄膜充填，结构单一，参差状断口。煤层较稳定，平均煤厚1.81m，受断层等地质情况影响区域，会出现局部增厚或变薄，煤层倾角15°～21°，平均为 17°。沿回采方向，煤层倾角为-2°～2°，结构简单，一般不含或只含1层夹矸，夹矸厚度0.10～0.20m，平均0.15m。

3回采巷道支护原理分析

3.1巷道支护设计原则

在巷道支护设计中，针对破坏特点、强度弱化的原因及时有效地采取加固措施。在巷道围岩的变形过程中维护，在不同阶段的锚杆支护分别选取“一次性支护”、“高预应力和预应力扩散原则”、“让压支护”、“高强度、高刚度、高可靠性与低支护”、“临界支护强度与刚度”、“相互匹配”、“可操作性和安全经济性”等原则，以及采取“护”、“让”、“支”、“限”的巷道支护技术，以适应围岩的变形过程特征，并最大限度地利用围岩的自承能力，实现围岩稳定。主动加固并直接改善围岩破裂体力学性能，充分利用锚杆、锚网、锚索等以最大限度地提高围岩的承载能力，促使围岩形成整体结构，使得巷道周边围岩稳定。

3.2巷道围岩的控制原则

围岩破碎后仍具有残余强度，松动破裂的围岩仍具有相当高的承载能力；围岩既是支护压力的根源，也是抵抗平衡原岩应力的承载体，而且是主要的承载结构体；所以支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，充分发挥围岩的承载能力。

3.3提高围岩残余强度的原则

当巷道开挖后，其周边的围岩由三向应力变成二向应力状态，其巷道周边会出现损伤区，导致岩石的强度大大降低；因此，在提高围岩残余强度则遵循“提高支护阻力、锚杆加固围岩”的原则。

3.4充分发挥围岩承载能力的原则

3.4.1发挥浅部围岩的自承能力

在采动影响下，巷道浅部围岩发生松动，破坏了围岩的整体性，可采用主动支护形式锚网索支护使围岩形成一个整体。首先，锚杆的受力状态，在不同期间有着不同的作用。初期作用是防止围岩掉落，抑制浅部围岩的扩容和离层。随着时间的推移，巷道的围岩破坏会逐步增大，这时锚杆、锚索起到了将破碎的岩层悬吊在稳定岩层中的作用。其次，锚杆与钢带、金属网的配合，形成了支护组合系统，根据组合梁理论和围岩强化理论，锚杆将各岩层紧紧串在一起，形成了组合梁，提高了破碎围岩的整体强度，形成了承载结构。钢带与网防止了破坏岩层、岩块的跨落，对锚杆间的围岩施以径向约束，从而增加了岩层的承载能力。

3.4.2发挥巷道深部围岩的承载能力

巷道开挖虽然扰动围岩，但其范围是有限的，巷道深部围岩强度比浅部围岩强度明显要高。因此巷道深部围岩对于动压巷道围岩的控制是一种丰富的可利用资源，通过研究发现，将一定长度的锚索在适当的部分锚入深度围岩，调动深部岩体强度后，能很好地改善围岩的应力状态和围岩的自身性能。通过锚索使深度岩体有效地承担了浅部围岩的荷载，控制围岩的大变形。

3.4.3巷道围岩弱结构控制的原则

巷道开挖后，两帮及顶底板变形破坏并不是均匀的，而是首先从巷道某一个或者某几个部位开始变形破坏，从而导致整个巷道的支护体失稳，巷道围岩首先从弱结构开始破坏，这些首先破坏的部位称为支护的“关键部位”。一旦巷道支护体的强度、刚度及可缩量不适应巷道弱结构部位的变形时，就会发生破坏，然后导致其它部位破坏，最终使巷道围岩破坏失稳。长期以来，巷道支护一直习惯于巷道全断面均匀支护，实践证明这是不合理的，应该针对巷道的弱结构部位进行加强支护，使巷道围岩应力分布趋于均匀，而达到良好的控制效果。

4回风顺槽窄煤柱沿空掘巷的支护参数优化设计

1109工作面回风顺槽为梯形断面，巷道顶板宽度4.6m，底板宽4.4m，高帮3.6m，低帮2.24m；沿着1107工作面采空区留6m平距小煤柱布置，属于高地应力临近采空区动压小煤柱巷道。

4.1巷道锚杆支护参数选取

4.1.1锚杆长度计算依据经验公式

Lb =1.4+0.184B

Lb =k（1.5+B/10）

式中：Lb为锚杆长度，B为巷道宽度，k为围岩影响系数，一般取0.9~1.2，围岩稳定性较差，此处取 1.1。1109工作面巷道宽度处于4.2~4.8m之间，上述两公式得到的锚杆长度计算值分别为2.17~2.28m 和2.11~2.178m，结合小煤柱巷道围岩高应力、大变形特征，小煤柱巷道锚杆长度2.4m，实体煤巷道锚杆长度2.2m。

4.1.2锚杆间排距的计算

为了使锚杆与破碎围岩能够形成足够强度的人工承载结构，巷道锚杆相互作用的区域厚度t应不大于0.5Lb，即最大锚杆间排距应小于1.1m。结合矿井实践中得到的经验参数及新奥法选择锚杆间排距的准则，运输顺槽为实体煤巷道，锚杆间排距确定为0.8~1m；回风顺槽考虑为高应力大变形的沿空巷道，锚杆间排距0.8~0.9m。

4.1.3锚杆直径的计算

如果锚杆锚固力与杆体的破断力相等，锚杆直径可由下式得出：

d =

式中：Q—锚杆破断力150KN；σt—杆体材料的抗拉强度RHB500；

计算结果表明，锚杆直径应大于19mm，锚杆直径选择20mm 满足要求。

4.2 巷道锚索支护参数选取

4.2.1锚索长度确定

1109 工作面回采巷道顶板为厚层复合顶板，顶板岩层层间粘结力小、胶结性差、部分地段围岩破碎，易出现顶板失稳现象。现场调研发现，在顶板上方5.2m左右岩层层间节理发育，自稳性差。因此，为了将巷道浅部承载结构与深部坚硬岩层形成强度较高的统一承载体，必须保证锚索生根部位的可靠及稳定， 结合数值模拟结果，考虑顶板裂隙水影响，选择长度为7.3m的锚索，加长锚固。

4.2.2锚索长度验算

LS≥LS1+LS2+LS3

式中：

LS1—锚索外露长度，0.2m；

LS2—不稳定岩层的厚度，即所求得的b；

—锚索锚固长度，1.5m。

D1—锚索钢绞线直径，21.8mm；

f1—钢绞线抗拉强度，1860kN/mm2；

f2—锚索与锚固剂的粘合强度，12kN/mm2。

LS≥0.2+5.2+1.68=7.08（m）

本顺槽锚索取7.3m>7.08m，满足计算要求。

4.2.3锚索密度

为了使锚杆锚索形成具有一定支护高度的骨架网状预应力结构，同时考虑成巷速度及支护成本，结合数值计算，回采巷道其顶板锚索采用3-0-3布置，其中“3”为每排3根锚索，间距 1500mm、排距 1600m，居中布置。考到到运输顺槽为实体煤巷道，采用工程例比法参考1106和1107工作面运输顺槽支护参数和矿压显现情况，锚索直径仍然采用1×7股17.8直径的锚索。回风顺槽为小煤柱高应力动压巷道，同时采用工程例比法参考1106和1107工作面回风顺槽支护参数和矿压显现情况，直径调整为1×7股21.8直径的锚索。

4.2.4锚索排距验算

依据每排布置2-3根锚索（取2.5），当锚杆失效时锚索所承担的岩层重量进行验算：

s=3σn/4B2γk

s=3×330×2.5/（4×4.4²×13.6×1）=2.35m

式中 

n——每排锚索个数；

σ——每根锚索最低破断载荷，330kN；

γ——上覆岩层岩石体积力，13.6kN/m3；

B——巷道宽度，4.4m和4.8m；

k——排距安全系数，取1；

（5）锚索间距验算

m=0.85B/n=（0.85×4.4）/1=3.74m

取2m。

式中  n——排数；

　    B——巷道宽度，4.4m和4.8m。

由于1109回风顺槽巷道宽度为4.4m，1109运输顺槽巷道宽度为4.8m；1109两顺槽巷道顶板每排布置3根锚索，间距1.5m，排距1.6m，巷道中线及两侧均匀布置。锚索间排距取1.5×1.6m，符合要求。

依据巷道掘进层位及围岩性质，确定巷道支护形式为锚网索梁联合支护，如遇到围岩破碎时，及时缩小锚杆（索）间排距。

5结语

花草滩煤矿由于工作面接续和提高资源回收率，回釆巷道顶板下沉量大，底鼓严重，两帮破坏严重，维护尤其困难。通过分析1109工作面的地质条件及巷道掘进引起的采动应力演化规律，1109两道顺槽顶板为复合型顶板且巷道顶板掘进期间易破碎；研究确定了1109回风顺槽合理的窄煤柱选择宽度为6m和沿空掘巷的支护技术后，巷道围岩变形量基本能保持稳定，有利于巷道维护。

实践证明，1109回风顺槽窄煤柱已掘巷道比1109运输顺槽已掘巷道的矿压显现更稳定，1109回风顺槽巷道在掘进期间其上覆1107的采空区矿压释放完毕后，1109回风顺槽窄煤柱巷道掘进期间采用高强度高预紧力锚杆（索）控制围岩的支护技术施工，对巷道围岩稳定性具有显著效果。

[参考文献]

［1］付晋清.地质构造对煤层顶板稳定性影响的分析研究[J].太原科技技.2008.168(1):89-90.

［2］《锚杆锚固力与锚固技术》[M].北京：煤炭工业出版社，1998.陆士良等.

［3］《中国煤矿巷道围岩控制》[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.陈炎光，陆士良.

［4］《中国煤矿锚杆支护理论与实践》[M].北京：科学出版社，2004.何满潮，袁和生，靖洪文等.

[作者简介]

孙向兵，男，山西运城人，工程师，毕业于中国矿业大学机械电子工程专业。

路长平，女，江苏徐州人，毕业于中国矿业大学工程管理专业。