采動(dòng)劇烈動(dòng)壓影響下沿空掘巷支護(hù)設(shè)計(jì)研究

張海斌

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)公司生產(chǎn)處，山西 介休032000）

汾西礦業(yè)中興煤礦為保證回采工作面順利銜接，避免出現(xiàn)孤島工作面的目的，在3203工作面進(jìn)行回采的同時(shí)，就必須要沿著與3203工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)方向進(jìn)行掘進(jìn)，在此基礎(chǔ)上，才能保證正常的采掘銜接，最終保證礦井順序回采和完成產(chǎn)量的目的。可是根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)和回采自戀顯示，在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到受采動(dòng)劇烈影響區(qū)，為避免在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生不安全因素及保證巷道支護(hù)效果，從設(shè)計(jì)角度和圍巖情況出發(fā)，對(duì)3205運(yùn)輸巷做了合理的設(shè)計(jì)。現(xiàn)工作面正在推進(jìn)，此支護(hù)設(shè)計(jì)效果比較理想。

1 中興煤礦的概述

1.1 工作面基本情況

中興煤礦3203綜采工作面，位于東三采區(qū)，所采煤層為2號(hào)煤層，煤層最小厚度1.4 m，最大厚度2.4 m，平均厚度1.9 m，北鄰3204工作面（未掘進(jìn)），南面為三采總回風(fēng)巷、西翼軌道巷、集中皮帶巷，西面為3205運(yùn)巷（停掘），設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度1 474 m，工作面長(zhǎng)度156 m，可采儲(chǔ)量60.1萬(wàn)t。

1.2 煤層頂?shù)装迩闆r（見(jiàn)表1）

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

1.3 巷道布置情況

3205工作面由運(yùn)輸巷、材料巷、切割巷構(gòu)成完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，運(yùn)輸巷與材料巷方位為0°，切眼垂直于兩巷，方位為90°。

材料巷與三采總回風(fēng)巷、西翼軌道巷聯(lián)通，構(gòu)成回風(fēng)、行人、運(yùn)料系統(tǒng)；運(yùn)輸巷與西翼軌道巷聯(lián)通，通過(guò)溜煤眼與集中皮帶巷聯(lián)通，構(gòu)成進(jìn)風(fēng)、行人、運(yùn)煤系統(tǒng)。

2 煤柱寬度確定

在沿空掘巷時(shí)，如果煤柱留設(shè)不合理，會(huì)導(dǎo)致煤炭資源受到損失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生頂板事故，為后續(xù)的回采造成很大的隱患，所以煤柱的留設(shè)是非常關(guān)鍵的。為避開(kāi)應(yīng)力高峰值區(qū)，減少采空區(qū)對(duì)煤柱的破壞，參考原有煤柱留設(shè)理論，計(jì)算如下：

式中：X1為已回采工作面造成的破壞寬度；X2為錨桿深度；X3為安全富余系數(shù)。

圖1 煤柱留設(shè)寬度確定模型

X1計(jì)算公式為：

X2計(jì)算公式為：

式（2）中：m為已回采巷道寬度，取3.47 m；A為采空區(qū)對(duì)煤柱的測(cè)壓系數(shù)；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取26.31°；C0為煤體內(nèi)粘聚力，取24.6 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取值范圍2～3，取2.5；γ為煤巖層平均密度，取25 kN/m3；H為巷道埋藏深度，取260 m；Pz為3205工作面運(yùn)輸巷煤幫的支護(hù)阻力，取0.15 MPa。將代入各參數(shù)計(jì)算可得出X1=1.5 m。

式（3）中：r0為巷道等效半徑，取2 m；Pt為支護(hù)阻力，取0.15 MPa；其他參數(shù)含義同上。代入各參數(shù)計(jì)算可得出X2=2.12 m。

X3為煤柱安全富余系數(shù)計(jì)算：

因此，煤柱的合理留設(shè)寬度：B=X1+X2+X3=1.5+2.12+1.379=4.99 m，取整數(shù)為5 m[1]。

3 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 巷道支護(hù)關(guān)鍵

3205工作面運(yùn)輸巷順著3203綜放工作面材料巷側(cè)組織施工時(shí)。在具體工作過(guò)程中，前者有560 m的巷道會(huì)因?yàn)槠洳蓜?dòng)劇烈動(dòng)壓因素的影響，而阻礙工程進(jìn)度。因此，分析了該巷道支護(hù)重點(diǎn)：3205運(yùn)輸巷會(huì)受到采動(dòng)動(dòng)壓限制，在實(shí)際施工中，出現(xiàn)片邦變形等一系列狀況，從而導(dǎo)致支護(hù)困難；3205運(yùn)輸巷順著煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，處于托頂煤環(huán)節(jié)時(shí)，巷道頂板會(huì)由于動(dòng)壓影響帶來(lái)一系問(wèn)題，出現(xiàn)頂板破碎、下沉及冒頂情況；3205沿空已掘出巷道的后續(xù)工序等工作難度會(huì)更高。巷道會(huì)受劇烈動(dòng)壓因素的制約，會(huì)發(fā)生巷道重度變形，以及巷道報(bào)廢的嚴(yán)重后果。面對(duì)這種支護(hù)問(wèn)題，需綜合考慮多方面因素，借助圍巖的自承能力，提高塑性破壞巖層適應(yīng)力，保證頂板的整體性，減少破壞程度。

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

采取巷道支護(hù)措施的目的是為了后續(xù)選取恰當(dāng)?shù)南锏谰蜻M(jìn)位置等，從而加快掘進(jìn)速度。巷道的掘進(jìn)位置一般需考慮工作面的動(dòng)壓因素，因?yàn)檫@個(gè)因素是處于變化中的。根據(jù)理論得到支承壓力的關(guān)鍵部位是在4.0～4.5 m的范圍間。但是考慮到這是一次巷道支護(hù)實(shí)踐，所以，結(jié)合了現(xiàn)有的實(shí)踐場(chǎng)地，設(shè)計(jì)其煤柱寬是5 m。而在本次實(shí)驗(yàn)中，選取的錨桿支護(hù)是主動(dòng)支護(hù)措施。在具體工作時(shí)，通常選取工程類(lèi)比法，輔助巷道支護(hù)，還有懸吊在內(nèi)的多個(gè)理論而形成的解析法，最后設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)方式。通過(guò)理論計(jì)算工作面壓力，了解圍巖特征等，最后采取的巷道支護(hù)措施：高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿以及預(yù)應(yīng)力錨索組合支護(hù)措施，表面控制選擇菱形鐵絲網(wǎng)片。

巷道圍巖松散破碎區(qū)域影響錨桿設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō)，錨桿的長(zhǎng)度必須達(dá)到錨固到松散破碎區(qū)域外，甚至再到達(dá)的一定深度。根據(jù)摩爾庫(kù)侖理論，來(lái)確定圍巖的破壞準(zhǔn)則。基于了解巷道圍巖的剪切破壞區(qū)域，莫爾庫(kù)侖安全系數(shù)法一般都會(huì)借助的方法，對(duì)應(yīng)的SF計(jì)算公式如下：

式中：G的含義是內(nèi)摩擦系數(shù)[2]。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，在設(shè)計(jì)某個(gè)參數(shù)時(shí)需注意巷道頂板的莫爾庫(kù)侖安全系數(shù)SF不能大于1.5時(shí)，工作環(huán)境是安全的，否則，則是不穩(wěn)定區(qū)域，這時(shí)就需做支護(hù)控制工作。在對(duì)待兩幫工作時(shí)，通常的SF一定要大于1.0，如果不在這個(gè)范圍，就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)狀況，基于此巷道側(cè)幫需做支護(hù)控制。

根據(jù)摩爾庫(kù)侖概念，設(shè)計(jì)與上文同類(lèi)型模擬，選取的錨桿是Q500左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，其中直徑18 mm，屈服強(qiáng)度達(dá)到150 kN，抗拉強(qiáng)度達(dá)到200 kN。設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)：錨桿長(zhǎng)度是2 400 mm，安裝載荷達(dá)到40 kN。

錨索的作用是懸吊頂板，增加預(yù)應(yīng)力，緩解巷道變形。因此錨索直徑設(shè)計(jì)為15.24 mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6 m，并在錨固端加工3個(gè)鳥(niǎo)巢。錨索預(yù)應(yīng)力應(yīng)大于80 kN。

合理的表面控制系統(tǒng)需要沒(méi)有出現(xiàn)片幫以及漏頂狀況，以及提高支護(hù)系統(tǒng)的受力范圍，保障支護(hù)系統(tǒng)的整體性。這種菱形鐵絲網(wǎng)一方面可以杜絕漏矸、漏頂狀況發(fā)生，另一方面能有效控制圍巖變形程度，同時(shí)與錨桿以及鋼帶構(gòu)成整體，提高了支護(hù)系統(tǒng)的安全性以及整體性。

4 礦壓觀測(cè)綜合分析

3203綜放工作面在2019年3月就已結(jié)束回采工作，全部的觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間起止是，2019年1月10日到4月16日。從本次對(duì)5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)，總結(jié)出，巷道都會(huì)有“不穩(wěn)定變形到穩(wěn)定”的階段，在工作面推至測(cè)點(diǎn)四周時(shí)，頂?shù)滓约皟蓭蛪毫τ辛顺醪教岣撸辉谕ㄟ^(guò)測(cè)點(diǎn)后，在推過(guò)測(cè)點(diǎn)接近40 m處時(shí)，壓力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，同時(shí)至穩(wěn)定點(diǎn)保持不變。頂板壓力主要在8～9 MPa區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化，其中壓力的峰值是15 MPa；沿空側(cè)幫部壓力在最低15～20 MPa這個(gè)范圍，其壓力的峰值是25 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

在沿空掘巷時(shí)，首先要確定煤柱寬度，煤柱寬度確定后在選擇巷道支護(hù)方式，此時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮支護(hù)形式對(duì)煤柱的影響，依據(jù)極限平衡理論計(jì)算[1]可知，3203工作面煤柱留設(shè)寬度為5 m時(shí)，3205工作面運(yùn)輸順槽在巷道掘進(jìn)與工作面回采時(shí)，均能保證巷道的安全高效使用。