華燁煤礦4號煤層總回風大巷支護設計實踐

陳學文

（煤炭工業呂梁地方煤礦建設工程質量監督站，山西呂梁 033300）

華燁煤礦4號煤層總回風大巷支護設計實踐

陳學文

（煤炭工業呂梁地方煤礦建設工程質量監督站，山西呂梁 033300）

根據華燁煤礦4號煤層總回風大巷的地質、生產條件及服務年限,采用工程計算法進行了錨桿支護設計，選定了支護材料及參數，進行了有效的支護效果和動態質量監測，結果表明設計的支護參數能較好地滿足生產要求。

總回采大巷;支護設計;質量監測

錨桿支護具有“主動”支護、支護成本低、控制圍巖效果好等優點，是當今世界巷道支護技術的主要發展趨勢。實踐證明，錨桿支護的關鍵是支護形式的合理選擇和支護參數的科學設計，以充分圍巖自身的承載能力，進行耦合支護。本文以山西臨縣華燁煤業有限公司4號煤層總回風大巷為例，采用工程計算的方法，設計出各種支護參數，并通過實踐驗證了設計的可靠性。

1 井田概況

華燁煤業煤業井田位于鄂爾多斯盆地東緣的河東煤田中段。井田南北長3.5 km，東西寬2 km，面積7.0 km2。井口標高+850 m，現開拓一水平，水平標高為+575 m，聯合開采2號、4號煤。其中4號煤層頂板以泥巖、細砂巖為主，個別為砂質泥巖、粉砂巖，據三交詳查區24號孔細砂巖頂板試驗結果：抗拉強度2.40 MPa，抗剪強度3.90 MPa。底板大部為泥巖、砂質泥巖、局部為粉砂巖。頂板巖層普氏系數取為4.2。煤層頂底板巖性綜合柱狀示意圖，見圖1。

4號煤總回風大巷標高+628 m，設計長度186 m。4號煤總回風大巷斷面設計為矩形,巷道掘進高度為4.0 m，寬度為5.0 m，掘進斷面為20.0 m2。服務年限34 a。

2 4號煤層總回風大巷的錨固參數設計

2.1 4號煤層總回風大巷頂板錨固參數確定

4號煤層總回風大巷沿煤層底板掘進，4號煤層厚度為1.91～2.1 m，巷道掘進高度為4.0 m，寬度為5.0 m，掘進斷面為20.0 m2，為半煤巖巷道。根據華燁煤礦地質報告，頂板巖層平均容重取26 kN/m3，頂板巖體的普氏系數為4.2；兩幫煤層內摩擦角取30°，單根頂錨桿最小錨固力取100 kN，單根幫錨桿最小錨固力取50 kN。

1）頂板支護載荷集度q：

式中：H為巷道高度，4 m；φb為巷幫煤及巖體內摩擦角，30°；b為巷道寬度，5 m；γ為直接頂容重，26 kN/m3；f為直接頂損壞厚度，0.5 m。2）頂板錨桿布置密度n:

式中：q為載荷集度,58 kPa；K為安全系數，一般為1.5～2，取1.8；K'為變形載荷系數，取1.2；F為錨桿設計錨固力,100 kN。

頂錨桿布置間、排距a：

根據4號煤層總回風大巷的斷面參數，取頂錨桿排距為0.8 m，間距為0.8 m，每排7根錨桿，靠近兩幫的錨桿距離巷幫0.1 m，并且分別向巷幫傾斜約20°。

3）錨桿長度的確定：

頂板錨桿長度l為

l=l1+l2+l3=2.14 m，取為2.3 m。

式中：l1為錨桿外露長度，0.1 m；l2為錨桿有效長度，m；l3為錨入巖層深度，一般大于0.3 m。

錨桿有效長度l2為

4）錨固長度的確定：根據頂板巖層錨固條件，錨固長度l3最小為

5）錨桿直徑的確定：

根據頂板巖層條件，選取螺紋鋼錨桿，該錨桿的屈服應力為400 MPa。錨桿的直徑為

式中：Q為設計錨桿錨固力，100 kN；σt為錨桿屈服強度，MPa；因此，錨桿的直徑選取為18 mm。

6）錨桿錨固劑的選取：

根據設計錨固長度按下式計算錨桿錨固需要的藥卷長度Ly為

式中：Ly為樹脂藥卷總長度，m；Rm為錨桿半徑，mm；Ry為樹脂藥卷半徑，mm；K為錨固劑損耗系數，取K=1.1～1.15；R為鉆孔半徑，mm。

根據計算結果，選取型號為CK2360和Z2340的樹脂藥卷各1卷。

依上述分析，若選用的錨桿設計錨固力為100 kN，則4號煤層總回風大巷頂板錨固參數可確定為：錨桿長度2.3 m；錨桿間距0.8 m；錨桿排距0.8 m；錨固長度0.71m；設計錨固力100kN；預緊力30kN。

7）錨索參數的確定：

取錨索排距為1.6 m，每排打2根錨索，間距為2.4 m。錨索最小錨固長度l0=1.36 m.

根據設計錨固長度按下式計算幫錨桿錨固需要的藥卷長度Ly：

式中：Ly為樹脂藥卷總長度，m；Rm為錨桿半徑,mm；Ry為樹脂藥卷半徑，mm；K為錨固劑損耗系數，取K=1.1～1.15；R為鉆孔半徑，mm。

根據計算結果，選取型號為CK2360和Z2340的樹脂藥卷各2卷。

錨索最小長度l：l=2.5l0+H+l'=6 m，取為7.0 m。式中：H為載荷體高度，取2.3 m；l'為錨索外露長度，一般取0.3 m。

2.2 4號煤層總回風大巷兩幫錨固參數確定

1）兩幫所需要的錨固強度p：

式中：q為兩幫可承載錨固體所受載荷集度。

b'為巷道等效跨度：

兩幫可承載錨固體厚度l3：

2）錨桿布置密度n：

幫錨桿布置間、排距a：

根據4號煤層總回風大巷的斷面參數，取幫錨桿排距為0.8 m，間距為0.8 m，每排5根錨桿，上、下幫錨桿距離頂底板0.4 m，并且分別向頂、底板傾斜約20°。

3）錨桿長度l：l=l1+l2+l3.

其中，錨固段長度l2：

錨桿外露長度為l'，根據錨桿施工工藝，一般取0.1 m。

錨桿總長度l=l1+l2+l3=1.355 m，取為1.8 m。

4）錨固劑的選取。根據設計錨固長度按下式計算幫錨桿錨固需要的藥卷長度Ly：

式中：Ly為樹脂藥卷總長度，m；Rm為錨桿半徑，mm；Ry為樹脂藥卷半徑，mm；K為錨固劑損耗系數，取K=1.1～1.15；R為鉆孔半徑，mm。

根據計算結果，選取型號為CK2360的樹脂藥卷1卷。

依上述分析，若選用的錨桿設計錨固力為50 kN，則4號煤層總回風大巷兩幫錨固參數可確定為：錨桿長度1.8 m；錨桿間距0.8 m；錨桿排距0.8 m；錨固長度0.355 m；設計錨固力50 kN；預緊力20 kN。

2.3 4號煤層總回風大巷錨固方案

根據以上計算，結合巷道斷面尺寸，確定4號煤層總回風大巷支護方案。4號煤層總回風大巷支護圖，見圖2。

3 巷道支護的監測

3.1 支護效果檢測

該工程2011年4月份掘完并按要求進行了支護（包括噴漿100 mm），完工后工在該巷道相隔30 m設了兩組測點監測巷道變形，每組測點埋設4個點分別為頂底和兩幫。每4 d監測一次，共監測4個月即122 d，硐室圍巖變形測點監測圖，見圖3。

從圖中可以看出，頂板下沉量累計最大為43.6 mm，平均下沉速率僅為0.36 mm/d；硐室的底臌量累計最大為75.7 mm，平均速率為0.63 mm/d；兩幫位移量累計最大為86.78 mm，平均速率為0.72 mm/d；頂底位移量累計最大119.4 mm，平均速率則為0.99 mm/d。且從圖中可以看出，巷道在掘出后80 d時間內變形較為明顯，到3個月后巷道變形趨于穩定。現場觀察發現，巷道除兩幫底角噴砼局部出現輕微鼓裂外，其余部位均無明顯變化。實踐表明，該支護設計完全能滿足大斷面半煤巖巷道支護穩定的要求。

3.2 支護質量動態監測

1）錨桿(索)預緊力檢查。在巷道掘進施工過程中，安排專人按不小于30%的比例和不大于1 d的時間間隔，用力矩示值扳手對錨桿（索）預緊力進行抽測。

2）錨桿（索）錨固質量的巡回檢查。每隔一定時間（2 d）對巷道錨桿（索）進行巡回式檢查一次，對失效的錨桿（索）應及時補打，對托盤松動的要及時緊固，對局部偏幫或小范圍漏頂處要及時處理。

3）錨固力的拉拔檢查。檢查錨桿（索）錨固力應該在現場進行拉拔試驗。對于錨桿，每100根或100根以下隨機抽樣檢查4根（頂板2根，兩幫各1根）。錨桿拉拔加載力按照錨桿設計錨固力的80%進行加載，其中若有1根被拉拔松動，不合要求，再抽樣3根（頂板、兩幫各1根）進行試驗，若再發現不合格錨桿，應通知礦總工程師或者主管副礦長進行原因分析，并及時采取處理與補救措施。

對于錨索每20根張拉5根，拉拔加載力按照錨桿設計錨固力的80%進行加載，若發現有1根錨索張拉時有伸長現象，再張拉10根，若仍有伸長現象，應通知礦總工程師或者主管副礦長進行原因分析，并及時采取處理與補救措施。

4）頂板離層動態監測。利用頂板離層指示儀對頂板不同層位的下沉量進行監測，以便隨時掌握頂板的穩定狀態：a.對頂板離層情況提供直觀顯示，及早發現頂板失穩的征兆，以避免冒頂事故的發生。b.監測數據可以作為修改完善錨桿支護初始設計參數的重要依據。

在總回風大巷掘進中，每隔30 m安設一組頂板離層指示儀，每組安設2套，間距2 m。每個測孔中放置1套2個測點，1個深基點，1個淺基點，其中深基點深度比錨索孔深0.5～1 m，淺基點深度比錨桿孔深0.3～0.6 m。分別測量錨索錨固范圍內和錨桿錨固范圍內的頂板離層量隨時間和位置的變化情況。

4 結束語

1）錨桿支護設計是一個系統的動態過程。要充分的利用每一個過程中提供的信息，包括巷道圍巖情況調查和地質力學評估、以理論計算為主的初始設計及井下日常檢查與專項監測信息。根據信息收集和反饋修正設計。

2）礦井地質條件是千變萬化的，特別注意地質條件變化時，需要及時調整支護參數，要十分重視錨桿、錨索的支護質量檢查與受力監測，發現問題及時糾正。

3）要重視和保證錨桿、錨索預緊力達到設計要求；要重視和保證聯網質量與噴射混凝土對頂板的封閉質量；要重視和保證安裝錨桿時對錨桿鉆機高速旋轉的時間要求；要重視和保證定期對樹脂錨固劑及其他錨固構件性能參數的檢查與測定。

4）在遇到地質構造帶，頂板淋水段及煤層變厚區域等困難條件時，要加密或加長錨桿錨索，必要時加套臺棚注漿加固，以確保安全。

5）在施工經驗和檢查與監測資料的累積基礎上，要不斷地總結經驗，進一步完善華井下巷道錨固設計方法及支護參數的選取。確保巷道支護長久穩定。

Support Design for Chief Return-air Roadways in Seam No.4 of Huaye Mine

CHEN Xuewen
(Lvliang Quality Supervision Station of Mine Construction for Coal Industry,Lvliang 033300,China)

Based on the geology,working condition,and service life of chief return-air roadways of seam No.4,Huaye mine,engineering calculation method was used in the design of bolt support and the selection of support materials and parameters.Then,the monitoring on support effect and dynamic quality showed that the support parameters could meet the requirement of production.

chief return-air roadways;support design;quality supervision

TD353

A

1672-5050（2015）02-0039-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.013

（編輯：劉新光）

2015-01-21

陳學文（1974-），男，山西平遙人，大學本科，工程師，從事采礦工程質量監督工作。