馮亞楠

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣公司潤(rùn)東煤業(yè)，山西 晉城 048000）

引言

潤(rùn)東煤業(yè)是一座資源整合礦井，煤炭可采儲(chǔ)量有限，為提高礦井的資源回收率，實(shí)施小煤柱沿空掘巷迫在眉睫。針對(duì)小煤柱沿空掘巷工藝，如何采用較低的支護(hù)成本達(dá)到安全可靠的支護(hù)效果。通過(guò)優(yōu)化1305工作面進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煤柱寬度從原先設(shè)計(jì)的20 m縮減至6 m，同時(shí)保證了巷道的安全順利掘進(jìn)。

1 1305工作面布置情況

1305工作面北與1304回采工作面（已回采）相鄰，南與礦界相鄰，西與軌道聯(lián)絡(luò)巷、膠帶聯(lián)絡(luò)巷相鄰，東為采空區(qū)，目前四鄰均無(wú)采掘活動(dòng)。

1305工作面開(kāi)采3號(hào)煤層，平均埋深270 m，煤層厚度5.72～7.15 m，平均6.29 m，煤層傾角2°～8°。1305上分層回采工作面布置有1209巷作為運(yùn)輸順槽，1210巷作為回風(fēng)順槽，如圖1所示。

圖1 1305工作面布置圖

2 頂板鉆孔窺視及頂板巖層分析

2.1 窺視目的

利用鉆孔窺視儀對(duì)巷道頂板進(jìn)行鉆孔窺視，準(zhǔn)確掌握1305工作面頂板巖層巖性、裂隙、各巖層厚度變化及賦存情況。

2.2 窺視儀器

采用CXK12礦用鉆孔窺視儀（見(jiàn)圖2）對(duì)3號(hào)煤層頂板進(jìn)行鉆孔窺視。

圖2 CXK12礦用鉆孔窺視儀及配套件

2.3 窺視鉆孔布置

為了研究潤(rùn)東煤業(yè)1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板圍巖結(jié)構(gòu)，掌握頂板巖層裂隙、各巖層厚度變化情況，在與1209進(jìn)風(fēng)順槽相鄰的1208回風(fēng)順槽110 m、170 m處布置2個(gè)窺視孔，標(biāo)號(hào)分別為4號(hào)、5號(hào)，窺視測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。鉆孔直徑32 mm，孔深分別為13.6 m、13.4 m，窺視孔垂直于頂板布置。

圖3 窺視測(cè)點(diǎn)布置

2.4 窺視結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)4號(hào)、5號(hào)鉆孔窺視結(jié)果分析得到1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板綜合柱狀圖4所示。

圖4 1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板綜合柱狀圖

3 基于工程類比法優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

1304工作面與本工作面相鄰，巷道斷面和地質(zhì)條件與1305工作面基本相同，目前1304上分層工作面回采完畢，巷道圍巖變形不大，滿足生產(chǎn)要求。該工作面回風(fēng)順槽和切眼支護(hù)方式可為本次支護(hù)設(shè)計(jì)提供類比[1]。

3.1 巷道圍巖礦壓特征理論計(jì)算

3.1.1 1209進(jìn)風(fēng)順槽最大片幫深度C的計(jì)算

1209巷為1305工作面的進(jìn)風(fēng)順槽，留6 m小煤柱護(hù)巷，巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)取1.8；上覆巖層平均重力密度26 kN/m3；巷道埋深270 m考慮；采動(dòng)影響程度的無(wú)因次參數(shù)取1.7；考慮節(jié)理裂隙影響，3號(hào)煤層的普氏系數(shù)計(jì)算時(shí)取0.7；巷道高度取2.75 m；煤體內(nèi)摩擦角45.5°。

式中：Kcx為巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均重力密度，kN/m3；H為巷道埋深，m；B為表征采動(dòng)影響程度的無(wú)因次參數(shù)；fc為煤層硬度系數(shù)；h為巷道高度，m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，（°）。

通過(guò)公式（1）計(jì)算得：1209進(jìn)風(fēng)順槽最大片幫深度為2.35 m，即考慮小煤柱護(hù)巷條件，巷道最大片幫深度為2.35 m。

3.1.2 1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板不穩(wěn)定巖層高度h g的計(jì)算

式中：hg為頂板自然平衡拱高度，m；A為巷道掘進(jìn)寬度之半，2.1 m；fd為頂板普氏系數(shù)。

考慮頂板主要為3.8 m粉砂巖、6.2 m厚細(xì)砂巖和1.3 m厚砂質(zhì)泥巖，考慮節(jié)理裂隙影響，頂板加權(quán)普氏系數(shù)取fd=1.8。

通過(guò)公式（2）計(jì)算得：1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板自然平衡拱高度為2.57 m。

3.1.3 1209進(jìn)風(fēng)順槽巷道頂壓Q d的計(jì)算

式中：γd為頂板容重，巖石取26 kN/m3。

通過(guò)公式（3）計(jì)算得1209進(jìn)風(fēng)順槽頂壓Qd=381.4 kN/m2。

3.1.4 1209進(jìn)風(fēng)順槽巷道側(cè)壓按下式計(jì)算

式中：γm為煤的容重，取14.75 kN/m3。

通過(guò)公式（4）計(jì)算得1209進(jìn)風(fēng)順槽幫側(cè)壓為160.3 kN/m2。

3.2 1209進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)的確定

3.2.1 頂板支護(hù)參數(shù)

1209進(jìn)風(fēng)順槽頂部考慮采用錨索補(bǔ)強(qiáng)。頂壓為381.4 kN/m。根據(jù)每根錨索懸吊載荷大小確定錨索間距（a）與排距（b），錨索的錨固力取350 kN，考慮到兩頂角錨桿的懸吊作用，考慮安全系數(shù)兩頂角錨桿的懸吊作用取130 kN，則錨桿索懸吊巖石載荷G（G=bQd）等于錨桿索的錨固力Q。在考慮了安全系數(shù)K的情況下，錨索排距b為：

式中：Q為錨桿索的錨固力，Q=130+350=480 kN。

錨索安全系數(shù)K=1.8，通過(guò)公式（5）計(jì)算得：1209進(jìn)風(fēng)順槽錨索排距不宜大于0.70 m。頂板采用錨索補(bǔ)強(qiáng)，即每0.70 m至少布置一根錨索，結(jié)合頂錨桿間排距，頂錨索2-1-2布置，排距0.9 m，安全系數(shù)大于1.8。

3.2.2 幫部支護(hù)參數(shù)

1209進(jìn)風(fēng)順槽小煤柱幫部考慮采用錨索補(bǔ)強(qiáng)，側(cè)壓為160.3 kN/m2。根據(jù)每根錨索載荷大小確定錨索間距a與排距b，錨索的錨固力取300 kN，則錨桿索載荷G'（G'=b'Qd）等于錨桿索的錨固力Q。在考慮了安全系數(shù)K的情況下，錨索排距b'為：

式中：Q'=300 kN。

錨索安全系數(shù)K'=1.5，通過(guò)公式（6）計(jì)算得：b'=1.24 m。結(jié)合幫錨桿間排距，幫錨索排1-0-1布置，排距1.8 m，安全系數(shù)大于1.5。

1209進(jìn)風(fēng)順槽開(kāi)采側(cè)幫部根據(jù)類比法參照1207進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)。

3.2.3 1209進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)

具體巷道參數(shù)見(jiàn)表1、表2、表3：

表1 頂板支護(hù)參數(shù)

表2 巷幫支護(hù)參數(shù)

表3 小煤柱幫錨索補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)

4 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化1305工作面進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)，該工作面于2020年9月至12月順利完成掘進(jìn)，且預(yù)留煤柱寬度由原先設(shè)計(jì)的20 m縮減至6 m。通過(guò)在巷道布置表面位移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，巷道小煤柱幫側(cè)最大移近量150 mm，開(kāi)采幫側(cè)最大移近量100 mm，兩幫最大移近量250 mm，頂板最大移近量120 mm，最小移近量50 mm。該支護(hù)設(shè)計(jì)完全滿足小煤柱沿空掘巷的施工要求。