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摘要：我国煤炭行业开采普遍留设安全煤柱的方法解决矿压显现问题，合理的安全煤柱是保证煤矿安全开采的重要条件，传统开采条件下煤柱大多留设30-50m之间，造成了资源的巨大浪费，近年来随着煤矿支护技术的发展，综采工作面小煤柱开采对于提高煤炭资源的开采率和保证煤巷安全具有重要的科学指导意义。以新疆焦煤（集团）一九三〇煤矿11601工作面为例，针对该煤层为坚硬顶板受采动影响大、顶板难以自然垮落、应力集中程度较高，造成悬顶。通过现场调查，工作面开采后下部巷道矿压显现明显，有明显的底鼓、帮鼓现象。经现场实验，工作面顶板进行超前预裂爆破对采空区顶板进行弱化，然后利用锚索对下部巷道加强支护，在上部工作面开采后可有效控制下部巷道变形。

关键词：顶板、支护、爆破

一、工作面概况：

一采区11601工作面平均走向长度为660m，6#煤层倾角18°-22°，平均煤层倾角为20°，工作面倾向长度152-212m，平均倾向长度为182m，工作面下部为同煤层的+1710m运输大巷，工作面埋深介于172.1m-219.4m，自东向西回采。11601工作面下顺槽与+1710m运输大巷保护煤柱为10m，下部+1710m运输大巷服务年限为6年，在未采取任何保护措施初期，11601工作面回采后，下部+1710m运输大巷变形严重。为保证下部+1710m运输大巷在11601工作面开采完毕后能正常使用，遂采取上部工作面深孔超前欲裂爆破、下部巷道锚索加强支护方式。

二、上部工作面深孔超前预爆

该煤层直接顶板为中砂岩、砾岩，0～8m范围单轴抗压强度58.34～81.09Mpa，抗拉强度3.16～5.96Mpa，凝聚力31.4Mpa，内摩擦角31°39′，泊松比0.21，自然块体密度2.52-2.54g/cm³，软化系数0.73～0.77，软化系数较软；6号煤层单轴抗压强度1.00～3.84Mpa，抗拉强度0.260.37Mpa，凝聚力3.06Mpa，内摩擦角28°55′，自然块体密度1.21～1.23g/cm³；煤层结构简单，一般不含夹矸，条痕呈棕黑色，玻璃光泽，节理裂隙发育，脆度大，易破碎，煤层厚度为3.1m，顶板为中砂岩，裂隙较为发育，底板为粉砂岩。该煤层灰分（Ad）5.64-26.31，平均14.95%，属低灰煤；挥发分（Vdaf）产率一般为25.15-26.13%，属中—中高挥发分煤。6#煤层上距5#煤层层间距为19.58m，下距离7#煤层层间距为34.50m。6#煤层顶板老顶强度高、厚度大、完整性高，回采期间老顶未随工作面推进而及时跨落，易造成悬顶长度过大，给安全生产带来隐患，根据《煤矿安全规程》第一百零五条规定，采煤工作面回采期间顶板不跨落时悬顶距离须在作业规程中明确，超过悬顶距离，停止采煤，采取人工强制放顶或者其它措施进行处理。因此采煤工作面悬顶最大距离（极限跨距）合理的选取，对采煤工作面安全及生产起到重要作用。根据材料力学，工作面未实施深孔预裂的老顶处于两端固支的状态；为防止工作面回采后老顶出现大面积悬顶的现象，对工作面顶板实施深孔爆破预裂。

老顶岩梁支撑预裂后，内部产生大小不等的多条裂纹深孔预裂后老顶一端的约束力矩被解除该岩梁力学模型变成一端固支一端简支。老顶梁式断裂时的极限跨距可以用材料力学方法求得，材料力学模型如图所示：

结合施工经验，深孔超前预爆放顶布距为12米时采空区顶板垮落较好，能保证工作面正常回采期间的安全，但此处煤柱宽度仅10m，为保证工作面回采后压力充分释放，采用加密炮孔的方式对采空区顶板进行弱化处理，放顶布距为4米，具体附图：

三、下部巷道加强支护

（一）支护

在保证巷道原有支护不变的情况下，对巷道顶部及上帮加强支护，采用φ17.8mm×5300mm的锚索，巷道上帮每排支护2根锚索1根锚杆，每排纵向布设W钢带1根，锚索间排距1200mm×3000mm；距顶板400mm处打第1根锚索，距第1根锚索2400mm处打第二个锚索，锚索间排距2400mm×3000mm；每根锚杆使用2支MSK2350型树脂锚固剂进行锚固，每根锚索使用3支MSK2350型树脂锚固剂进行锚固。

（二）巷道围岩支护参数

1.锚索计算

（1）锚索直径选型计算：

φ——锚索直径

σx——钢丝抗拉强度 （1860MP2）

Q——锚索锚固力 230KN

考虑富余系数1.1，确定锚索直径13.81mm，选择φ17.8mm锚索满足支护要求。

（2）锚索长度

结合同类巷道锚索支护经验，采用工程类比法，确定选用Φ17.8mm×5100mm锚索，支护参数验算如下：

L=La+Lb+Lc+Ld

L—锚索总长度，m

La—锚索深入到稳定岩层的锚固长度，m。

Lb—需要悬吊到不稳定岩层的厚度，m 取3m。

Lc—上托盘及锚具的厚度，取0.1m

Ld—锚索外露长度，取0.2m

锚索长度：按GBJ86-86要求：La≥

式中：La—锚索锚固长度，mm；

K—安全系数，取K取1.5～2取1.5

d—锚索钢绞线直径，其为17.8mm；

fa—钢绞线抗拉强度，N/mm²（1860MPa，合1860N/mm²）；

fc 为锚索与锚固剂的设计粘结强度，取10 KN/mm²；

则有：La≥1.5×（17.8×1860/4/10）=1241.55mm

则有：La≥1.242mm=1.24m

使用三根MSK2350锚固剂长度约为0.50×3=1.5m＞1.24m，符合设计要求。

则有L=1.24+3+0.1+0.2＝4.54m

经计算取5300mm的锚索，满足支护要求。

（3）上帮锚索角度及强度核算

锚索深入顶板或底板岩层中，可靠锚固，因锚索的锚固长度为1.5m，根据设计要求锚索深入顶底板的长度不小于1.5m；

根据现场实际高帮破坏深度，帮部锚索的强度足以控制高帮8m深度范围内煤体的滑移。

高帮上部锚索的使用角度取整以方便施工，当上部锚索的施工角度为45°时，锚索深入顶板岩层的长度为4.4m，远超出稳定锚固长度1.5m的要求。因此，将上部锚索的施工角度定为带45上仰角施工，如图所示。

高帮锚索施工角度

可以简化出高帮的受力滑移模型及锚索受力模型，如图所示：

高帮煤体滑移力学模型

高帮滑移煤体（每排锚索支护范围）的重量为：

G=4.2m×9.2m×3m×25.4kN/m3=1564.64kN

若要限制高帮煤体向下滑移，则两根锚索产生的阻力及顶底板岩层与煤层之间的摩擦阻力之和必须大于煤体重力倾斜向下的分力。

两根锚索所能产生的阻力为

F=F2cosα+F2cos（50°-α）（8）

式中，α为煤层倾角，22°。

带入各参数值后可得F=838.73kN。

层间摩擦阻力为

f=μGcosα（9）

式中，μ为层间摩擦系数，取0.2。

带入各参数值后可得f=524.09kN。

高帮煤体倾斜向下的分力为Gsinα，得出分力大小为1336.71kN。

则有F+f=1362.82kN>1336.71kN。因此，帮部采用两根锚索完全满足高帮控制要求。

四、结论：

通过现场监测，10米的煤柱采取合理的顶板弱化方式并对巷道进行加强支护能将巷道变形控制在一定范围，能满足安全生产需求，并可进一步提高资源回收率。