近距离煤层采空区下回采工作面顺槽支护方案优化

鲁松林

（山西乡宁焦煤集团富康源煤业有限公司，山西 临汾 041000）

1 矿井概况

富康源矿属于资源整合矿井，位于位于乡宁县台头镇神角村，井田面积为9.75 km2，设计生产能力120 万t/a，井田地质构造简单。10503 工作面现主要开采山西组2#、3#煤层，采用的是综采放顶煤采煤工艺，主斜副立开拓方式，现有井筒4 个，批准开采1#～10#煤层，现采2#、3#煤层，开采水平+670 m，煤层自燃倾向性为自燃，水文地质类型中等。以往开采过程中待2#煤采空区稳定后，3#煤工作面两顺槽支护主要采用工字钢棚支护，工人劳动强度大、运输量大、准备时间长、采掘衔接紧张。为改变支护形式、提高巷道掘进速度、提高采掘效率，研究3#煤顺槽采用锚杆（索）+金属网+钢带联合支护，改善巷道围岩压力，降低劳动强度。

2 二采区情况

二采区位于井田中西部即F3 断层以西，西部、南部、北部以井田边界为界，上部为一采区；二采区东西长约1 470 m，南北长约2 200 m，2#煤层可采区总面积约3.307 2 km2；二采区内2#、3#煤层工业资源储量为12 842 kt，生产能力为0.90 Mt/a。二采区2#煤层平均煤厚度为0.97 m，3#煤层平均煤厚度为3.25 m；10#下煤层工作面运输、回风顺槽均沿1 #下煤层底板掘进，为矩形断面，运输顺槽尺寸为宽4.8 m，高2.8 m，断面积13.44 m2，回风顺槽宽4.5 m，高2.8 m，断面积12.60 m2。

3 顺槽支护参数确定

由于考虑2#、3#煤层为近距离煤层，2#煤层与3#煤层层间距为1.79 m～3.49 m，平均2.83 m，为避开2#煤层开采期间动压影响3#煤层巷道支护，设计10#下煤层顺槽外错7 m（中-中）布置；若2#、3#煤层距离3 m 以上，3#煤层顺槽支护采用锚杆（索）+金属网+钢带联合支护；若2#、3#煤层距离1.79 m～3.00 m，10#下煤层顺槽支护采用锚杆+金属网+钢棚联合支护。现将锚杆（索）相关参数计算如下：

3.1 锚杆支护参数确定

3.1.1 锚杆长度的确定

根据锚杆作用机理和悬吊作用理论，锚杆施工长度计算如式（1）。

式中：L 为锚杆长度，m；L外露为外露长度，m；L有效为有效长度，m；L锚固为锚固长度，m。锚杆外露长度L外露的确定：L外露=垫板厚度+螺母厚度+（0.02m～0.03m）；一般L外露=0.15 m。

锚杆有效长度L 的确定：在松散介质及中硬以下 岩石，以及小跨度地下空间，可以采用M.M.普罗托奇·雅可诺夫的抛物形压力拱理论估计冒落带高度：

当f≥3 时计算公式为式（2）；

当f＜3 时计算公式为式（3）。

式中：K 为安全系数，取1.5～2；b 或b1为围岩松动圈冒落高度，m；B-巷道开掘宽度，3#煤层取B=4.8 m；f 为巷道顶板的岩石普氏坚固性系数，3# 煤层取2.5；f顶为顶板岩石普氏系数，取2.5；反算f顶=arctan（2.5）=68.2。因此，3#煤层顶锚杆L 有效采用下式计算：

3#煤层帮锚杆：

锚杆锚固长度L锚固的确定：按经验L锚固=0.3 m～0.4 m。

3#煤层顺槽顶锚杆长度L=0.15+1.18+0.3=1.63 m，取2.0 m；帮锚杆长度：L=0.15+0.54+0.3=0.99 m，取1.8 m。

3.1.2 锚杆间排距

根据每根锚杆悬吊载荷大小确定锚杆间距（a）、排距（b），即锚杆悬吊岩石载荷（G=abL2γ）小于或等于锚杆的锚固力（Q）。考虑安全系数K 的情况下则Q计算公式见式（4）。

式中：a、b 为锚杆间距、排距，m；γ 为被悬吊软弱岩平均容重，取25 kN/m3；K 为安全系数，一般取K=1.3～1.8，考虑到松软岩层不稳定，K=1.8；l2为软弱岩层厚度或冒落拱高度，取1.22 m；Q 为锚杆锚固力（以Φ20 mm 螺纹钢计算，屈服强度σ屈=340 MPa）。

则顶锚杆间排距计算结果为：本次设计考虑到矿方实际经验，3#煤层顺槽帮、顶锚杆采用Φ22 mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆时，运输顺槽间排距为900 mm×800 mm，回风顺槽间排距为800 mm×800 mm。

3.1.3 锚杆直径的确定

按锚杆杆体承载力与锚固力等强度原则，确定锚杆直径d 锚杆计算公式为式（5）。

式中：d 锚杆为直径，m；Q 锚固力为锚固力，取107 kN；t 为杆体材料本身的抗拉强度，520 MPa。锚杆直径大于16.2 mm 可满足支护需要，按矿方支护经验顶、帮锚杆取Φ22 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆。

3.2 锚索支护参数的确定

3.2.1 锚索长度的确定

锚索长度的计算公式：X=X外露+X软弱岩层+X锚固=0.25+2.5+1.3=4.05 m 取5.2 m。式中：X外露为外露长度，取0.25 m；X软弱岩层为潜在软弱岩层高度，取2.5 m；X锚固为锚索锚固长度，取1.3 m。X锚固≥fst/πfcs。其中：d钢为钢绞线直径，mm；d钢=（1 860/3.14×10）×21.6=1 279 mm，设计锚固长度为1.3 m＞1.279 m，fst为钢绞线抗拉强度，MPa；fcs为锚索与锚固剂的设计粘接强度，按10 MPa 计算。

3.2.2 锚索间距

3#煤层两顺槽巷道宽度分别为4.8 m 和4.5 m，顶锚杆间距分别为900 mm 和800 mm，设计每排布置3 根锚索，间距分别为1 800 mm 和1 600 mm。

3.2.3 锚索排距

根据锚杆失效时，上覆岩石质量需锚索承担，锚索数应满足公式（6）。

式中：N 为锚索数目，10#下煤层每排取3 根；K 为安全系数，取2；P断为钢绞线最低破断力，取350 kN；W 为被悬吊岩石的自重，kN，W 计算公式见式（7）。

式中：B 为巷道掘进巷宽，m；D 为排距，m；∑h 为岩石厚度，取1.22 m；∑γ 为岩石平均容重，25 kN/m3。通过以上公式，确定锚索排距应满足设计需求。

结合矿方支护经验及顶锚杆排距，3#煤层两顺槽锚索排距为1 600 mm。

3.3 工字钢棚支护确定

若2#、3#煤层距离1.79 m～3.00 m，3#煤层顺槽支护采用锚杆+金属网+工字钢棚联合支护。根据煤层间距图，2#、3#煤层距离1.79 m～3.00 m开完后，采用锚杆+钢网初次支护后，11# 工字钢加木垛支护，及时维护围岩，防止塌方、冒顶。巷道断面特征表详见表1。

表1 巷道断面特征表

4 效果分析

富康源矿3#煤层运输（回风）顺槽顺槽顶锚杆采用Φ22 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，间排距为800 mm×800 mm，长度1 800 mm（2 000 mm）；运输（回风）顺槽锚索采用Φ21.6 mm、长度为5 200 mm 的高强度预应力钢绞线，锚索间排距为1 800 mm（1 600 mm）×1 600 mm，每排3 根。顺槽采用上述支护方法后，掘进队组由原来100 m/月提高到180 m/月采掘衔接顺畅，有效控制围岩变形，实现了很好的经济技术效果。

5 结语

通过富康源10503 工作面巷道的顺利掘进，设计总结出了一套完整的极近距离煤层采空区下顺槽巷道掘进技术，为后续的采掘衔接奠定技术基础，同时也为富康源矿近距离煤层开采提供一套了可靠的掘进安全保障系统，体现出显著的社会与经济效益。