巷道支護設計及現場礦壓監測檢驗

郝旭崗

（陽煤集團和順新大地煤業有限公司， 山西 晉中 032700）

引言

如何檢驗支護設計的支護效果，需對巷道進行現場礦壓監測，可以直觀地看到巷道變形量和離層量。本文主要針對某礦8106工作面5100回采巷道實際地質情況，利用理論計算方法進行錨桿參數計算，最終確定運輸順槽合理的支護方案。且通過現場礦壓監測，對設計的巷道支護參數進行檢驗。

1 工程背景

某煤礦三盤區處于山西大同西南方向25 km的位置，在大同煤田的東北方向。該礦8106工作面處于3號—5號煤層北部一盤區，西側為三盤區巷道保護煤柱，北側為另一工作面回采巷道保護煤柱。8106工作面傾向長度190 m，5100回采巷道長度為1 690 m。頂、底板及夾矸巖性一般為石灰巖，高嶺巖、砂質泥巖、砂質泥巖和炭質泥巖，局部為粉砂巖或細粒砂巖，為穩定煤層。其中，老頂以粗砂巖為主，厚度最大為8.3 m，最小為2.1 m；直接頂以炭質泥巖和砂質泥巖為主，厚度最大為6.5 m，最小為1.0 m；工作面直接頂以粉砂巖為主，厚度最大為5 m，最小為0.4 m[1]。

2 錨桿支護參數理論計算

2.1 巷道斷面尺寸

綜合考慮施工中機械設備的體積大小，通風風量大小以及巷道圍巖變形預留量，最終確定5100巷道掘進斷面參數：5100巷斷面為矩形斷面，寬4.7 m，高 3 m，斷面面積為 14.1 m2。

2.2 錨桿參數理論計算

運用懸吊理論以及施工方法綜合確定工作面順槽的支護參數，由懸吊巖層的質量確定錨桿支護設計。

2.2.1 錨桿長度

考慮受到煤層內裂隙影響3號—5號煤層的普氏系數fm取值1.25，內摩擦角為θm=tan-1fm=51.23°。

巷道覆巖冒落拱高度：

式中：b1為巷道一半的跨度，2.35 m；h0為巷道高度，3 m；θm為巖體內摩擦角，51.23°；f為巖體堅固系數，2。

將數值代入式（1）計算得平衡拱高度h=1.7 m。

采用懸吊理論，在計算錨桿的有效長度時，首先應該計算自然平衡拱的拱高，用等式表示為l2=h。

錨桿的長度若按照式（2）進行確定：

式中：l1為錨桿的外露長度，0.1 m；l2為錨桿的支護長度，1.7 m；l3為錨桿的錨固長度，0.3 m，代入式（2）得l=2.1 m。

2.2.2 錨桿間排距

按照懸吊理論工作面順槽頂錨桿的線性長度應該大于2.1 m。而現有錨桿長度為2.4 m，為了使壓縮拱具有一定厚度，能夠起到承載作用，需要充分發揮錨桿組合和加固的性能。所以選取頂錨桿間的排距為1.2 m，并采用錨索補強[2-3]。

按照每根幫錨桿抵抗的側壓荷載計算幫錨桿的間距a以及排距b，取a=b即側壓荷載等于幫錨桿的錨固力大小Q。考慮到安全系數K：

式中：a為錨桿間距，m；Q為表示幫錨桿的錨固力大小，取值為80 kN；錨桿安全系數K=2.0，計算得a=

由上面的式子得出，幫錨桿間距不得大于1.5m，取值為間距a=1.2m、排距b=1.2m，它的安全系數為2。

幫錨桿的有效長度按照巷道兩幫的最大片幫深度1.1m進行確定，則幫錨桿的有效長度應大于1.5m。

但根據錨桿群對圍巖的作用機理，為了在巷道圍巖中形成一定厚度的壓縮拱，需要充分發揮錨桿的組合和加固性能。故幫錨桿選取間距a=1.2 m，排距b=1.2 m時，幫錨桿的長度需大于2.4 m，選取長度為2.4 m的幫錨桿。

3 巷道錨桿支護確定

3.1 頂板支護

3.1.1 頂錨桿

錨桿選用桿體為Φ20的高強度鋼筋錨桿，長度為2 400 mm。每排布置4根錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距1 200 mm。接近幫上的一根頂錨桿距巷幫550 mm。若頂板有明顯離層和裂隙，每排5根錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距1 000 mm。接近幫上的一根頂錨桿距巷幫350 mm[4]。

3.1.2 頂錨索

錨索選用Φ15.24 mm的低松弛預應力鋼絞線，長度為5 400 mm。采用對二布置，排距為20 000 mm（即每10排錨桿打1根錨索），錨索間距為2 400 mm，距巷幫1 150 mm，垂直頂板中部。

3.2 巷幫支護

錨桿選用桿體為Φ20 mm普通圓鋼錨桿，長度為2 400 mm。錨桿間排距均為1 200 m，每排3根。錨桿起錨高度300 mm，靠近頂板的一根幫錨桿距頂板300 mm。靠近頂、底板的幫錨桿以及水平線呈15°，其余垂直巷幫布置。

4 現場礦壓監測檢驗

4.1 巷道表面位移

為了準確掌握設計方案應用于井下之后巷道的變形情況，在8106工作面的5100巷設置了兩組綜合測站，包括頂板離層和巷道表面位移監測。經5100巷120 m和240 m兩組測站的監測結果表明頂板基本沒有下沉量，兩幫移近量也很小，巷道基本上保持穩定，從實測的數據來看，頂底板最大移近量為300 mm，兩幫最大位移量為220 mm，巷道變形量相對較小，可見巷道支護設計起到了作用。圖1為現場觀測曲線圖。

4.2 頂板離層監測

順槽巷道總共安裝頂板離層儀40多個。從離層儀監測結果顯示分析，離層儀顯示離層值絕大部分為0，有很少一部分的離層儀顯示離層值為1～5 mm。由此可得，錨桿支護對2條順槽巷頂板的穩定起到了重要的作用，覆巖離層現象較弱，僅在很小的范圍內巖體完整性較低，裂隙發育較多，但采用錨索錨桿聯合支護以及減小支護結構間排距的方式來合理高效控制圍巖穩態[5]。

圖1 5100巷兩測點表面位移曲線

4.3 檢驗結果

從頂板離層監測和巷道表面位移監測結果兩方面都表明，該礦3號—5號煤8106工作面順槽巷道支護方案取得了不錯的效果，有效控制了巷道圍巖的穩定，是一個科學的、有效的支護設計。

5 結論

以某礦8106工作面的5100回采巷道為研究背景，采用理論計算確定巷道錨桿支護參數，并進行現場礦壓監測檢驗，主要結論如下：

1）參數為頂錨桿選用桿體為Φ20的高強度鋼筋錨桿，長度為2 400 mm。每排布置4根錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距1 200 mm。接近幫上的一根頂錨桿距巷幫550 mm。若頂板有明顯離層和裂隙，每排5根錨桿，錨桿排距1200 mm，間距1 000 mm。接近幫上的一根頂錨桿距巷幫350 mm，皆垂直于頂板布置。頂錨索選用Φ15.24 mm的低松弛預應力鋼絞線，長度為5 400 mm。采用對二布置，排距為20 000 mm（即每10排錨桿打1根錨索），錨索間距為2 400 mm，距巷幫1 150 mm，垂直頂板中部。巷幫錨桿選用桿體為Φ20 mm普通圓鋼錨桿，長度為2 400 mm。錨桿間排距均為1 200 m，每排3根。錨桿起錨高度300 mm，靠近頂板的一根幫錨桿距頂板300 mm。靠近頂、底板的幫錨桿以及水平線呈15°，其余垂直巷幫布置。

2）在5100巷120 m和240 m兩組設置測站，對該巷道表面位移和頂板離層進行監測發現，頂底板最大移近量為300 mm，兩幫最大位移量為220 mm，巷道變形量相對較小；離層儀顯示離層值絕大部分為0，有很少一部分的離層儀顯示離層值為1～5 mm。由此可見，確定的錨桿支護參數支護效果顯著。