6201切巷巷道支護方案設計研究

楊海鵬

（山西壽陽潞陽祥升煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

1 概況

6號煤層位于山西組下部、3號煤之下11.22m，根據地質報告及6號煤層資源/儲量估算圖，6號煤層在可采范圍內21個鉆孔統計煤層厚度1.35～2.31m，平均厚度1.86m。可采性指數0.917，變異系數21.68%，屬大部可采穩定煤層。6號煤層采用長壁綜合機械化采煤方法。

根據山西省三水實驗測試中心對礦井頂、底板巖石力學進行的測試，測試結果：6號煤層頂板巖性為泥巖，厚5.0m，極限抗壓強度（濕）為19.1～24.7MPa，抗拉強度為 1.6～1.9MPa。底板巖性為砂質泥巖，厚7.0m，極限抗壓強度（濕）為55.2～64.1MPa，抗拉強度為 2.9～3.1MPa。

2 工程類比分析

根據6201切巷煤層頂底板巖層結構和提供的地質資料，獲得祥升煤業6201切巷巷道圍巖穩定性分類相關參數及其變化范圍，見表1所示。

表1 6201切巷巷道圍巖穩定性分類基本參數

根據圍巖穩定性分類方案，得出祥升煤業6201切巷巷道圍巖穩定性總體上屬于Ⅳ類不穩定圍巖。

3 支護方案的理論計算及選擇

結合祥升煤業6號煤層圍巖物理力學性質、圍巖的巖層條件及實際開采條件，錨桿支護設計可以利用自然平衡拱理論、松動圈支護理論及經驗公式設計方法。

3.1 基于自然平衡拱理論的計算

（1）圍巖破壞范圍

煤層巷道煤幫破壞深度C（m）由下式確定：

頂板巖層的破壞深度b（m），按相對于層理的法線計，可根據下式求出：

（2）圍巖壓力

當C為正值時，作用在破壞煤幫一側支架上的壓力Q（kN/m）為：

頂板支架壓力QH（kN/m），按相對于巖層層理的法線確定為：

（3）錨桿長度

頂錨桿長度：Lr=b+Δ=1.3+0.7=2.0m

幫錨桿長度：Ls=b+Δ=0.59+0.7=1.29m

（4）錨桿間排距

錨桿排距ɑr按照下式求出：

錨桿錨固力P（kN）取決于巖石硬度，按下式計算：

頂板每排錨桿數Nk根據作用力平衡條件按下式求出：

當C為正值時，煤幫錨桿排距按下式求出：

3.2 基于圍巖松動圈理論的計算

結合工程類比，確定6201切巷開采期間的松動圈范圍為1.2～1.4m，屬于中松動圈，懸吊理論是確定支護參數較好的方法，錨桿的懸吊點是松動圈外的未松動巖層或煤層。

松動圈理論確定錨桿支護參數如下：

（1）錨桿的長度

依據懸吊作用原理，錨桿長度可按下式計算：L=L1+L2+L3

因此，錨桿長度為L=2.0m。

（2）錨桿的間排距

錨桿間排距，往往是根據錨桿間巖體的完整情況及工程類比法確定，結合6號煤一采區支護方式，確定頂錨桿的間排距為0.9m×1.0m，幫錨桿的間排距為1.2m×1.0m。

（3）錨桿的直徑按下式計算：

錨桿直徑應滿足d≥0.0177m。

3.3 經驗公式計算

（1）頂錨桿長度：L頂=N(1.5+B/10)

經計算，錨桿長度1.85m。

（2）幫錨桿長度：L幫=L1+L2+L3

① 錨桿外露長度L1的確定：L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m

一般取L1=0.15m。

② 錨桿有效長度L2的確定：

則，L2=1.5m

③ 錨桿錨固長度L3的確定：L3=0.3～0.4m，取0.35m。

則L=L1+L2+L3=0.15+1.5+0.35=2m

（3）錨桿的間距根據錨桿間巖體的完整情況及工程類比法確定，錨桿間距一般可取0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m和1.2m。

（4）錨桿排距：

則錨桿排距為1.12m。幫錨桿排距與頂錨桿排距一般保持一致。

（5）錨桿直徑：d=L/110

則錨桿直徑為0.01m。

自然平衡拱理論、圍巖松動圈理論及經驗公式法的匯總為表2。

3.4 工字鋼支護設計參數

6201切巷巷道位于3號煤層采空區下方，為了加強巷道的支護、抑制或減少圍巖移動，增強巷道抗變形能力，設計對該巷道采用工字鋼棚+錨網索的復合支護方式進行支護，工字鋼采用礦用11號工字鋼，錨桿、錨索和金屬網參照理論計算和工程類比結果選擇參數。

表2 6201切巷巷道錨桿支護參數理論計算結果

3.5 確定支護方案

依據理論計算和工程類比結果，確定6201切巷巷道采用工字鋼棚+錨網索支護相結合的復合支護方式，巷道支護平面圖、剖面圖分別如圖1、圖2所示。

（1）頂板支護

錨桿形式和規格：桿體為Φ20×2400mm的高強度左旋螺紋鋼筋，桿尾螺紋強化，屈服強度335MPa，抗拉強度490MPa，破斷載荷153.9kN。錨桿布置：錨桿間排距為900×1000mm；中間錨桿全部垂直頂板安裝，兩側錨桿與水平面呈70°安裝。錨索形式和規格：錨索采用Ф15.24×6300mm低松弛預應力鋼絞線，每排三根，間排距：2000×2000mm。網片規格：采用10#鉛絲經緯網，網孔規格為40×40mm，頂板網幅為1100×4000mm，網片之間采用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣，捆綁不少于三圈，孔孔聯接，并梳理成辮，網片搭接長度不少于100mm。

（2）兩幫支護

幫錨桿形式和規格：桿體為Φ20×2000mm的高強度左旋螺紋鋼筋，桿尾螺紋強化，屈服強度335MPa，抗拉強度490MPa，破斷載荷153.9kN。錨桿布置：錨桿間排距為1200×1000mm；靠近頂板的幫錨桿與水平線呈15°，靠近底板的幫錨桿與水平線呈15°，其余與巷幫垂直。網片規格：采用10#鉛絲經緯網，網孔規格為40×40mm，巷幫網幅為1100×2800mm，網片之間采用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣，捆綁不少于三圈，孔孔聯接，并梳理成辮，網片搭接長度不少于100mm。鋼筋托梁規格為：Ф14B80L2600mm，用Ф14鋼筋加工制作。

4 支護效果

通過雙針壓力表監測圍巖動態情況，如圖3所示。

經過現場圍巖動態監測，支架支護阻力顯示，最大工作阻力32MPa，巷道支護效果良好，錨桿預緊扭矩150N·m，巷道有較強的抗變形能力，為工作面的有序接替提供了良好的條件，保證了礦井的安全高效開采。

圖1 6201切巷支護平面圖（單位：mm）

圖2 6201切巷支護剖面圖（單位：mm）

圖3 支架支護阻力