厚煤层大采高大断面沿空留巷技术研究与应用

魏凯

（山西西山晋兴能源有限责任公司 山西太原 030053）

西山晋兴斜沟矿18503 综采工作面回采的8 号煤平均煤层厚度4.87 m,区段间留设20 m煤柱，为了提升矿井的煤炭资源回收率，有效解决采掘平衡，并防止因留设煤柱而引起的地表波浪形下沉状况，经过论证确定在18503工作面材料顺槽实施沿空留巷应用。而如何高效、安全解决巷道的支护问题是整个项目实施的重中之重。

1 工作面概况

18503 工作面在15 采区皮带运输大巷下山北侧，北为矿界保护煤柱，相邻晋保煤业扒楼沟矿，东、西方向两侧是实体煤区。地面标高950 m～1 208 m，工作面标高751 m～919 m，盖山厚度183 m～381 m。切割长度300 m（平距中-中），可采长度6 793.5 m。该工作面煤厚2.5 m～5.36 m，平均厚度4.14 m，倾角7°～11°，平均9°。18503综采工作面煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

2 充填带设计

根据类似矿井留巷的工程数据结果，为了保证充填墙体的稳定，顺槽旁充填体宽度确定为采高的0.7倍[1]。18503材料顺槽的净掘高为3.6 m，打底后高度为3.4 m。

采高小于3.5 m 时，充填墙体的宽度为3.5×0.7=2.45 m，取值2.5 m。

采高大于3.5 m 时,同时机尾采高应控制在4 m 以下，充填带宽度为4×0.7=2.8 m，取值3 m。

根据以上计算，确定充填带宽度如表2所示。

表2 18503综采工作面材料顺槽充填带宽度

3 巷道围岩压力计算

3.1 巷道顶部围岩压力

根据普氏理论，巷道顶部的压力为：

式中Pv—巷道顶部压力；

a—巷道宽度的一半，2.5 m；

γ—顶板岩体容重，取24 kN/m3；

a1—平衡拱宽度的一半，4.463 m；

H—巷道高度，3.4 m；

φ—煤体内摩擦角，取30°

f—普氏系数，取2。

通过数据计算得到巷道顶部围岩压力为239.8 kN/m2，在保证安全的前提下，工作面来压时的动压系数取2，则巷道顶部围岩压力为479.6 kN/m2。[2]

3.2 巷道侧压

根据普氏理论，巷道两侧的侧压值为：

式中：Ph—巷道侧压；

γ1—煤体容重，取15 kN/m3；

b—压力拱高

通过数据计算得到巷道帮部围岩压力为66.8 kN/m2。在保证安全的前提下，工作面来压时的动压系数取2，则巷道顶帮围岩压力为133.6 kN/m2。

3.3 巷道底部压力

根据普氏理论，巷道底部压力为：

式中：P0—巷道底部压力；

P—主动压力与被动压力之差，P=PA-PB；

PA—主动压力

PB—被动压力

y0—塑性变形极限深度，

通过数据计算得到巷道底帮围岩压力为13kN/m2。在保证安全的前提下，工作面来压时的动压系数取2，则巷道底帮围岩压力为26 kN/m2。

底帮由吸水而引起的膨胀压力计算为：

式中：Ps—膨胀压力，kPa；

h—埋深，取381m；

ω—岩石吸水率，取10%。

通过数据可得巷道底帮的膨胀压力为710.75 kN/m2。把底帮膨胀压力与根据普氏理论所得到的底帮压力相加，则巷道底部压力为736.75 kN/m2。

根据上面运算，沿空留巷顺槽各部位的围岩压力如表3所示。

表3 沿空留巷顺槽各部位的围岩压力

4 顺槽加强支护设计

4.1 巷道顶部加强支护参数

根据表1 顺槽围岩压力的数据计算可得，巷道顶帮的支护强度最小值为479.6 kN/m2。

目前煤矿常用的直径为17.8 mm的锚索的抗拔力一般为32 t，因此为了安全，斜沟煤矿17.8mm 锚索的支护强度取30 t计算，即每根锚索支护强度为300 kN/m2。根据《采矿工程师手册》，DZ35型单体液压支柱额定工作阻力为250 kN，因此直径为0.18 m 松木木支柱的极限支撑力为83 423 kN，由于松木某些部位存在强度弱化现象，则每根木支柱支撑力为200 kN/m2。[3]

采高大于3.5 m:

若巷道顶帮每排2 根锚索，锚索的排距2.2 m，则每平方米有锚索2/2.2=0.9根锚索；每排2根木支柱，木支柱排距1m；单体液压每排3根，支柱排距0.8 m，则每平方米有3/0.8=3.75根单体液压支柱。则每米巷道的顶帮支护强度为：

0.9×300+200×2+250×3.75=1607.5（kN/m2）

则巷道顶部支护的安全系数为：

1607.5/479.6=3.35

因此采高高度大于3.5 m时，沿空留巷顺槽顶帮加强支护参数为：锚索每排2根，排距2.2 m；木支柱每排2根，排距1 m；单体液压支柱每排3根，排距0.8 m。此时巷道顶帮支护的安全系数为3.35，可保证沿空留巷在18503工作面初次来压时候的稳定。

采高小于3.5 m:

若巷道顶帮每排2 根锚索，锚索的排距2.2 m，则每平方米有锚索2/2.2=0.9根锚索；木支柱每排2根，排距1 m；单体液压每排2 根，支柱排距0.8 m，则每平方米有2/0.8=2.5 根单体液压支柱。则每米巷道的顶帮支护强度为：0.9×300+200×2+250×2.5=1 295 kN/m2

则巷道顶部支护的安全系数为：1 295/479.6=2.7

综上所述:老年急性肠梗阻患者采用手术治疗有效率更高,但恢复时间比较长,且并发症较多,因此,在术后应采取适合的护理手段提升治疗疗效。

因此采高高度小于3.5 m时，沿空留巷顺槽顶帮加强支护参数为：锚索每排2根，排距2.2 m；木支柱每排2 根，排距1 m；单体液压支柱每排2 根，排距0.8 m。此时巷道顶帮支护的安全系数为2.7，可保证沿空留巷在18503工作面周期来压时候的稳定。

4.2 巷道煤帮加强支护参数

根据表3 的顺槽围岩压力的数据计算可得，巷道帮部的支护强度最小值为133.6 kN/m2。

若巷道帮部补打锚索每排2 根，排距1.6 m，则每平方米有锚索2/1.6=1.25根。则每米巷道帮部的支护强度为：1.25×300=375 kN/m2

则巷道帮部支护的安全系数为：375/133.6=2.8

因此沿空留巷顺槽帮部加强支护参数为：巷道帮部补打锚索每排2根，排距1.6 m。此时巷道帮部支护的安全系数为2.8。

4.3 巷道底部加强支护参数

根据表3 的顺槽围岩压力的数据计算可得，巷道底帮的支护强度最小值为736.75 kN/m2。以φ20 mm螺纹钢树脂锚杆为例，锚杆支护强度为90 kN/m2。

采高大于3.5 m:

巷道底部支护的安全系数为：1623.7/736.75=2.2

因此采高高度大于3.5 m时，沿空留巷巷道底帮加强支护参数为：每2.2 m 巷道打7 根底锚杆；木支柱每排2 根，排距1m；单体液压支柱每排3 根，排距0.8 m。此时巷道底部支护的安全系数为2.2。

采高小于3.5 m:

若巷道底角锚杆七花布置，每2.2 m巷道打7根底锚杆，则每平方米有锚杆7/2.2=3.18根锚杆；木支柱每排2 根，排距1 m；单体液压支柱每排2 根，排距0.8 m，则每平方米有2/0.8=2.5 根单体液压支柱。则每米巷道的底帮支护强度为：3.18×90+200×2+250×2.5=1311.2（kN/m2）

巷道底部支护的安全系数为：1311.2/736.75=1.78

因此采高高度小于3.5 m时，沿空留巷巷道底帮加强支护参数为：每2.2 m 巷道打7 根底锚杆；木支柱每排2 根，排距1 m；单体液压支柱每排2 根，排距0.8 m。此时巷道底部支护的安全系数为1.78。沿空留巷巷道围岩具体的加强支护如图所示。

图1 18503综采工作面材料顺槽加强支护平面图

图2 18503综采工作面材料顺槽加强支护断面图

5 沿空留巷工艺系统

沿空留巷工艺系统见图4：

图4 沿空留巷工艺系统图

6 结论

（1）经测算，目前斜沟煤矿沿空留设1 m巷道可产生的经济效益为16 626.94元，该项目具有较大的经济效益。

（2）缓解矿井采掘接替紧张的状况，尤其是长距离掘进巷道的困难，改善了矿井安全状况。

（3）大幅度地提高矿井资源回收率，延长了矿井服务年限，为矿井的可持续发展奠定了基础。

（4）形成厚煤层大断面沿空留巷成套技术，为我国大断面巷道沿空留巷提供工程示范。