丁永紅，高宏杰，邵嗣華，孫志猛，劉建剛，李 明，張 磊，張巨峰

(1.甘肅靖遠煤電股份有限公司 紅會第一煤礦，甘肅 白銀 730913；2.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

煤炭是我國的主體能源。據(jù)專家預測，2020年、2030年、2050年我國煤炭產(chǎn)能分別為44億t、40億t、34億t，煤炭的主體能源地位在相當長一段時期內(nèi)不會改變[1]。煤炭開采過程中，很多礦井采用保留煤柱護巷，造成了煤炭資源的浪費。而且隨著開采深度的繼續(xù)延伸，護巷煤柱寬度越來越寬，這種資源浪費也越來越嚴重。為了提高回采率，許多礦井采用窄小煤柱護巷。雖然窄小煤柱沿空掘巷避開了上區(qū)段工作面回采產(chǎn)生的劇烈擾動，但是，巷道圍巖穩(wěn)定性控制仍比較困難，需要進一步研究。

國內(nèi)外學者[2-6]對沿空巷道上覆巖層運動特征、沿空掘巷圍巖控制和窄小煤柱失控引起的災害等方面進行了大量研究，取得了一些理論和假說，闡釋了工作面回采后上覆巖層垮落的應力分布狀態(tài)，為煤柱留設和圍巖穩(wěn)定性控制提供了理論依據(jù)。但是，對于高應力堅硬頂板厚煤層的沿空掘巷，工作面回采期間的巷道圍巖穩(wěn)定性控制對礦井安全生產(chǎn)至關重要。

1 工作面概況

甘肅靖遠礦區(qū)紅會一礦1715運輸巷道沿已回采結束的1713采空區(qū)邊緣掘進，通過預留8.0 m的隔離煤柱進行掘巷，形成運輸巷道，并與七采區(qū)運輸下山溝通形成通風、運輸?shù)戎饕a(chǎn)系統(tǒng)；回風巷布置在工作面西部未開采區(qū)域，與七采區(qū)回風下山溝通，形成工作面回風、運料系統(tǒng)；開切眼布置在工作面北部，與已回采結束的1703綜放工作面機道留設30.0～68.0 mm隔離煤柱；南部與七采區(qū)運輸下山和七采區(qū)回風下山相鄰。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)(J2)。煤層走向20～110°，傾向NE，傾角2～9°，平均5°。工作面范圍內(nèi)煤層平均厚度14.5 m，煤層結構復雜，工作面東南部發(fā)育1層夾矸，厚度在0.3～0.5 m之間，煤層頂?shù)装鍘r性見表1。根據(jù)地質(zhì)資料分析，不排除工作面其他區(qū)域發(fā)育夾矸的可能。煤層層理、節(jié)理較發(fā)育，容重1.35 t/m3，普氏硬度系數(shù)2.5～3.8。煤質(zhì)牌號為不粘結煤(BN)；煤巖類型以半暗型為主，次為半亮型，內(nèi)生裂隙發(fā)育，結構簡單，賦存較穩(wěn)定。1715運輸巷道與已回采結束的1713工作面間留設8 m煤柱(屬窄小煤柱)，巷道掘進期間已出現(xiàn)較嚴重的收斂變形現(xiàn)象(頂部兩幫收斂量0.2～0.5 m、底鼓量0.1～0.5 m)，且根據(jù)以往七采區(qū)類似布置的巷道回采期間出現(xiàn)的嚴重收斂變形問題(兩幫收斂量1.0～2.5 m、底鼓量0.6～1.4 m)，預計1715運輸巷道在回采期間會出現(xiàn)嚴重收斂變形。1715運輸巷道是1715綜放工作面的主運輸、輔助運輸通道，同時是進風、供電、供水、供風和安全通道，巷道內(nèi)安設有轉載機(含破碎機)、膠帶輸送機、設備列車等多臺電氣設備，巷道斷面尺寸若出現(xiàn)較大的收斂變形，會直接影響礦井的安全生產(chǎn)。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 巷道圍巖破壞范圍

根據(jù)自然平衡拱理論，煤層巷道幫部破壞深度c與頂板破壞深度b按公式(1)、(2)確定[7]：

(1)

式中：KCX與巷道形狀相關，表征自然平衡拱角應力集中的參數(shù)，取2.8；γ為巷道頂板巖層容重，取2.5 t/m3；H為巷道埋深，取400 m；B為表征采動影響程度的無因次參數(shù)，取1.2；fy為煤層堅固性系數(shù)，取3.5；h為巷道高度，取4 m；α為煤層傾角，取6°，φ為煤體內(nèi)摩擦角，取35°。

計算得出1715運輸巷道幫破壞深度為1 692 mm，煤體較為穩(wěn)定。

(2)

式中：a為巷道半跨，取2.3 m；ky為直接頂煤巖類型系數(shù)，取0.6；fn為直接頂巖層堅固性系數(shù)，取5。

計算得出1715運輸巷道頂板破壞深度為1 324 mm。

3 圍巖穩(wěn)定性控制方案

3.1 巷道切頂卸壓

在1715運輸巷道沿1713采空區(qū)側由北向南每隔1.6 m施工密集大直徑切頂鉆孔(直徑108 mm)，并提前預留煤柱變形量。鉆孔方位垂直1715機道窄小煤柱側幫部向里，支鉆高度1 m，開口位置位于巷道底板以上2.0 m處，支鉆點距機道下幫(窄小煤柱側)1.0～2.0 m，孔深4 m。切頂孔施工、爆破超前工作面采幫距離不得小于150 m。切頂孔具體施工參數(shù)如表2所示，斷面如圖1所示。

圖1 1715機道窄小煤柱側切頂斷面

表2 切頂孔具體施工參數(shù)表

3.2 錨桿錨索聯(lián)合加固技術

在1715運輸巷道按照由北向南的順序依次在窄小煤柱側幫、拱部進行錨桿錨索聯(lián)合加固，根據(jù)巷道圍巖破壞范圍和懸吊理論計算巷道加固錨桿錨索設計參數(shù)。

1) 幫、頂部錨桿長度計算：

L=KH+L1+L2

(3)

式中：L為錨桿長度，mm；H為冒落拱高度，mm；K為安全系數(shù)，一般取1.5；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗取950 mm；L2為錨桿外露長度，一般取40 mm。

計算得出巷道錨桿最短設計長度：L=2 315 mm。

為此，巷道幫、頂部均選用D20 mm×2 600 mm-950 mm的樹脂錨固劑螺紋鋼錨桿，長度大于2 315 mm，滿足巷道要求。

2) 根據(jù)錨桿桿體的屈服荷載計算錨桿錨固力：

(4)

式中：F為錨桿錨固力；σ屈為錨桿材料的屈服強度，取382 MPa；d為錨桿桿體直徑，取4 mm。

計算得出F=120 kN，大于錨桿設計錨固力60 kN，符合設計要求。

3) 錨桿間排距：

(5)

式中：a為錨桿間排距，mm；F為錨桿設計錨固力，取60 kN；H為冒落拱高度，取0.883 m；r為被懸吊穩(wěn)定巖層的密度，40 kN/m3；K為安全系數(shù)，一般取2。

計算得出：a=849 mm，1715運輸巷道支護選擇間排距為700 mm×800 mm，均小于849 mm，符合設計要求。

4) 根據(jù)懸吊理論計算錨索排距。巷道使用D17.8 mm×7 000 mm的錨索，假設冒落方式最嚴重，冒落高度大于錨桿長度，在忽略煤(巖)體粘結力和內(nèi)摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，錨索排距b按(6)式計算：

(6)

式中：B為巷道最大冒落寬度，取5.3 m；H為巷道最大冒落高度，按最嚴重冒落高度取3 m；γ為煤(巖)體容重，取14.2 kN/m3；I為錨桿排距，取0.8 m；F1為錨桿錨固力，60 kN；F2為錨索抗拔力，取120 kN；θ為錨桿與巷道頂板的夾角，取90°；n為每排錨索根數(shù)，取2。

計算得出錨索間排距最大為3.2 m，1715運輸巷道錨索加固的排距為2.4 m，小于設計錨索間排距3.2 m，滿足設計要求。

因此，1715運輸巷道沿1713采空區(qū)掘巷的窄小煤柱錨桿錨索聯(lián)合加固技術，即在巷道原底角錨桿以上第2～7根錨桿間按照0.7 m×0.8 m間排距每排打設4～5根錨索(如圖2、圖3所示)。若底部第2根與第3根錨桿間錨索已打設，則每排打設4根錨索；若底部第2根與第3根錨桿間錨索未打設，則每排施工5根錨索。錨索與原支護錨桿呈“五花形”布置。錨索選用D17.8 mm×4 000 mm-1 550 mm樹脂錨固劑錨索，每根錨索使用2支Z2360和1支CK2335型樹脂錨固劑；錨索托盤選用鋼膠帶托盤、“井”字形鐵托板、200 mm×200 mm×16 mm的鐵托板和鎖具組合構件。

圖2 巷道窄小煤柱側幫部錨桿錨索加固斷面(mm)

圖3 1715運輸巷道窄小煤柱側幫部錨桿錨索加固平面(mm)

5) 技術要求：①錨桿孔深度應大于錨桿長度0～50 mm，孔深度誤差控制在0～30 mm之間。②錨桿間排距誤差不超過±100 mm。③錨桿呈矩形布置。木托板長邊與巷道走向保持一致，鐵托板的邊與木托板長邊呈45°夾角布置；10 mm≤錨桿外露長度≤50 mm；木托板必須緊貼煤(巖)面。④錨桿眼施工角度垂直巷道頂板和巷道輪廓線，其偏差最大不得超過±15°；安裝的錨桿與巷道輪廓線夾角不應小于75°，在裂隙層理發(fā)育處應適當調(diào)整錨桿安裝角度，盡可能垂直裂隙層理面[8]。⑤底腳錨桿按-15°注設，錨桿距底板不得超過0.2 m，且墻角必須齊直。⑥錨桿螺母必須用錨桿鉆機配合扭矩放大器擰緊，錨桿扭力矩不小于400 N·m，錨固力不小于60 kN(使用LDZ/S200型錨桿拉力計時，活塞承壓面積為35 cm2，錨桿拉拔力不小于17 MPa)。⑦錨索按設計要求布置，左右偏差不得超過100 mm，外露長度為150～250 mm。張拉力不小于120 kN(使用YDC-250/150A型張拉千斤頂時，活塞承壓面積為75 cm2，拉拔力不小于30 MPa)。⑧巷道煤壁應平直，鋪設金屬網(wǎng)片時，應拉展鋪平，頭對頭、邊對邊，并用14號鍍鋅鉛絲聯(lián)接網(wǎng)片，每米不少于12扣，一扣壓一扣，每扣扭3圈。⑨掘進工作面必須備用3 d的支護材料，同時需備用一定數(shù)量的設備易損件，以便設備出現(xiàn)故障時及時更換。

4 結 語

通過對1715運輸巷道沿空掘巷留設窄小煤柱掘進期間兩幫收斂、頂板下沉、底部鼓起的現(xiàn)象進行分析，應用自然平衡拱理論，對煤層巷道幫部破壞深度與頂板破壞深度進行了計算，得出了巷道兩幫和頂部破壞深度，結合懸吊理論，計算出了巷道支護需要錨桿錨索的設計參數(shù)，選用D20 mm×2 600 mm-950 mm的樹脂錨固劑螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×800 mm，D17.8 mm×7 000 mm-2 150 mm型樹脂錨固劑錨索，間排距為2.4 m，進行了錨桿錨索聯(lián)合加固，滿足了巷道支護要求，并在巷道每隔1.6 m施工1組密集的D108 mm大直徑切頂鉆孔，預留煤柱變形量，保證保證了沿空留巷圍巖體的穩(wěn)定性。