沿空掘巷围岩稳定性控制方案

丁永红，高宏杰，邵嗣华，孙志猛，刘建刚，李 明，张 磊，张巨峰

(1.甘肃靖远煤电股份有限公司 红会第一煤矿，甘肃 白银 730913；2.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000)

煤炭是我国的主体能源。据专家预测，2020年、2030年、2050年我国煤炭产能分别为44亿t、40亿t、34亿t，煤炭的主体能源地位在相当长一段时期内不会改变[1]。煤炭开采过程中，很多矿井采用保留煤柱护巷，造成了煤炭资源的浪费。而且随着开采深度的继续延伸，护巷煤柱宽度越来越宽，这种资源浪费也越来越严重。为了提高回采率，许多矿井采用窄小煤柱护巷。虽然窄小煤柱沿空掘巷避开了上区段工作面回采产生的剧烈扰动，但是，巷道围岩稳定性控制仍比较困难，需要进一步研究。

国内外学者[2-6]对沿空巷道上覆岩层运动特征、沿空掘巷围岩控制和窄小煤柱失控引起的灾害等方面进行了大量研究，取得了一些理论和假说，阐释了工作面回采后上覆岩层垮落的应力分布状态，为煤柱留设和围岩稳定性控制提供了理论依据。但是，对于高应力坚硬顶板厚煤层的沿空掘巷，工作面回采期间的巷道围岩稳定性控制对矿井安全生产至关重要。

1 工作面概况

甘肃靖远矿区红会一矿1715运输巷道沿已回采结束的1713采空区边缘掘进，通过预留8.0 m的隔离煤柱进行掘巷，形成运输巷道，并与七采区运输下山沟通形成通风、运输等主要生产系统；回风巷布置在工作面西部未开采区域，与七采区回风下山沟通，形成工作面回风、运料系统；开切眼布置在工作面北部，与已回采结束的1703综放工作面机道留设30.0～68.0 mm隔离煤柱；南部与七采区运输下山和七采区回风下山相邻。含煤地层为侏罗系中统(J2)。煤层走向20～110°，倾向NE，倾角2～9°，平均5°。工作面范围内煤层平均厚度14.5 m，煤层结构复杂，工作面东南部发育1层夹矸，厚度在0.3～0.5 m之间，煤层顶底板岩性见表1。根据地质资料分析，不排除工作面其他区域发育夹矸的可能。煤层层理、节理较发育，容重1.35 t/m3，普氏硬度系数2.5～3.8。煤质牌号为不粘结煤(BN)；煤岩类型以半暗型为主，次为半亮型，内生裂隙发育，结构简单，赋存较稳定。1715运输巷道与已回采结束的1713工作面间留设8 m煤柱(属窄小煤柱)，巷道掘进期间已出现较严重的收敛变形现象(顶部两帮收敛量0.2～0.5 m、底鼓量0.1～0.5 m)，且根据以往七采区类似布置的巷道回采期间出现的严重收敛变形问题(两帮收敛量1.0～2.5 m、底鼓量0.6～1.4 m)，预计1715运输巷道在回采期间会出现严重收敛变形。1715运输巷道是1715综放工作面的主运输、辅助运输通道，同时是进风、供电、供水、供风和安全通道，巷道内安设有转载机(含破碎机)、胶带输送机、设备列车等多台电气设备，巷道断面尺寸若出现较大的收敛变形，会直接影响矿井的安全生产。

表1 煤层顶底板情况

2 巷道围岩破坏范围

根据自然平衡拱理论，煤层巷道帮部破坏深度c与顶板破坏深度b按公式(1)、(2)确定[7]：

(1)

式中：KCX与巷道形状相关，表征自然平衡拱角应力集中的参数，取2.8；γ为巷道顶板岩层容重，取2.5 t/m3；H为巷道埋深，取400 m；B为表征采动影响程度的无因次参数，取1.2；fy为煤层坚固性系数，取3.5；h为巷道高度，取4 m；α为煤层倾角，取6°，φ为煤体内摩擦角，取35°。

计算得出1715运输巷道帮破坏深度为1 692 mm，煤体较为稳定。

(2)

式中：a为巷道半跨，取2.3 m；ky为直接顶煤岩类型系数，取0.6；fn为直接顶岩层坚固性系数，取5。

计算得出1715运输巷道顶板破坏深度为1 324 mm。

3 围岩稳定性控制方案

3.1 巷道切顶卸压

在1715运输巷道沿1713采空区侧由北向南每隔1.6 m施工密集大直径切顶钻孔(直径108 mm)，并提前预留煤柱变形量。钻孔方位垂直1715机道窄小煤柱侧帮部向里，支钻高度1 m，开口位置位于巷道底板以上2.0 m处，支钻点距机道下帮(窄小煤柱侧)1.0～2.0 m，孔深4 m。切顶孔施工、爆破超前工作面采帮距离不得小于150 m。切顶孔具体施工参数如表2所示，断面如图1所示。

图1 1715机道窄小煤柱侧切顶断面

表2 切顶孔具体施工参数表

3.2 锚杆锚索联合加固技术

在1715运输巷道按照由北向南的顺序依次在窄小煤柱侧帮、拱部进行锚杆锚索联合加固，根据巷道围岩破坏范围和悬吊理论计算巷道加固锚杆锚索设计参数。

1) 帮、顶部锚杆长度计算：

L=KH+L1+L2

(3)

式中：L为锚杆长度，mm；H为冒落拱高度，mm；K为安全系数，一般取1.5；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取950 mm；L2为锚杆外露长度，一般取40 mm。

计算得出巷道锚杆最短设计长度：L=2 315 mm。

为此，巷道帮、顶部均选用D20 mm×2 600 mm-950 mm的树脂锚固剂螺纹钢锚杆，长度大于2 315 mm，满足巷道要求。

2) 根据锚杆杆体的屈服荷载计算锚杆锚固力：

(4)

式中：F为锚杆锚固力；σ屈为锚杆材料的屈服强度，取382 MPa；d为锚杆杆体直径，取4 mm。

计算得出F=120 kN，大于锚杆设计锚固力60 kN，符合设计要求。

3) 锚杆间排距：

(5)

式中：a为锚杆间排距，mm；F为锚杆设计锚固力，取60 kN；H为冒落拱高度，取0.883 m；r为被悬吊稳定岩层的密度，40 kN/m3；K为安全系数，一般取2。

计算得出：a=849 mm，1715运输巷道支护选择间排距为700 mm×800 mm，均小于849 mm，符合设计要求。

4) 根据悬吊理论计算锚索排距。巷道使用D17.8 mm×7 000 mm的锚索，假设冒落方式最严重，冒落高度大于锚杆长度，在忽略煤(岩)体粘结力和内摩擦力的条件下，取垂直方向力的平衡，锚索排距b按(6)式计算：

(6)

式中：B为巷道最大冒落宽度，取5.3 m；H为巷道最大冒落高度，按最严重冒落高度取3 m；γ为煤(岩)体容重，取14.2 kN/m3；I为锚杆排距，取0.8 m；F1为锚杆锚固力，60 kN；F2为锚索抗拔力，取120 kN；θ为锚杆与巷道顶板的夹角，取90°；n为每排锚索根数，取2。

计算得出锚索间排距最大为3.2 m，1715运输巷道锚索加固的排距为2.4 m，小于设计锚索间排距3.2 m，满足设计要求。

因此，1715运输巷道沿1713采空区掘巷的窄小煤柱锚杆锚索联合加固技术，即在巷道原底角锚杆以上第2～7根锚杆间按照0.7 m×0.8 m间排距每排打设4～5根锚索(如图2、图3所示)。若底部第2根与第3根锚杆间锚索已打设，则每排打设4根锚索；若底部第2根与第3根锚杆间锚索未打设，则每排施工5根锚索。锚索与原支护锚杆呈“五花形”布置。锚索选用D17.8 mm×4 000 mm-1 550 mm树脂锚固剂锚索，每根锚索使用2支Z2360和1支CK2335型树脂锚固剂；锚索托盘选用钢胶带托盘、“井”字形铁托板、200 mm×200 mm×16 mm的铁托板和锁具组合构件。

图2 巷道窄小煤柱侧帮部锚杆锚索加固断面(mm)

图3 1715运输巷道窄小煤柱侧帮部锚杆锚索加固平面(mm)

5) 技术要求：①锚杆孔深度应大于锚杆长度0～50 mm，孔深度误差控制在0～30 mm之间。②锚杆间排距误差不超过±100 mm。③锚杆呈矩形布置。木托板长边与巷道走向保持一致，铁托板的边与木托板长边呈45°夹角布置；10 mm≤锚杆外露长度≤50 mm；木托板必须紧贴煤(岩)面。④锚杆眼施工角度垂直巷道顶板和巷道轮廓线，其偏差最大不得超过±15°；安装的锚杆与巷道轮廓线夹角不应小于75°，在裂隙层理发育处应适当调整锚杆安装角度，尽可能垂直裂隙层理面[8]。⑤底脚锚杆按-15°注设，锚杆距底板不得超过0.2 m，且墙角必须齐直。⑥锚杆螺母必须用锚杆钻机配合扭矩放大器拧紧，锚杆扭力矩不小于400 N·m，锚固力不小于60 kN(使用LDZ/S200型锚杆拉力计时，活塞承压面积为35 cm2，锚杆拉拔力不小于17 MPa)。⑦锚索按设计要求布置，左右偏差不得超过100 mm，外露长度为150～250 mm。张拉力不小于120 kN(使用YDC-250/150A型张拉千斤顶时，活塞承压面积为75 cm2，拉拔力不小于30 MPa)。⑧巷道煤壁应平直，铺设金属网片时，应拉展铺平，头对头、边对边，并用14号镀锌铅丝联接网片，每米不少于12扣，一扣压一扣，每扣扭3圈。⑨掘进工作面必须备用3 d的支护材料，同时需备用一定数量的设备易损件，以便设备出现故障时及时更换。

4 结 语

通过对1715运输巷道沿空掘巷留设窄小煤柱掘进期间两帮收敛、顶板下沉、底部鼓起的现象进行分析，应用自然平衡拱理论，对煤层巷道帮部破坏深度与顶板破坏深度进行了计算，得出了巷道两帮和顶部破坏深度，结合悬吊理论，计算出了巷道支护需要锚杆锚索的设计参数，选用D20 mm×2 600 mm-950 mm的树脂锚固剂螺纹钢锚杆，间排距为700 mm×800 mm，D17.8 mm×7 000 mm-2 150 mm型树脂锚固剂锚索，间排距为2.4 m，进行了锚杆锚索联合加固，满足了巷道支护要求，并在巷道每隔1.6 m施工1组密集的D108 mm大直径切顶钻孔，预留煤柱变形量，保证保证了沿空留巷围岩体的稳定性。