堅硬頂板回采巷道支護技術(shù)研究

崔晉武

（山西科興龍頂山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400）

0 引言

近年來，隨著我國煤礦高產(chǎn)高效技術(shù)的快速推廣和應(yīng)用，煤炭資源長時間的高強度開采，一些賦存條件較好，開采較易的煤層已接近枯竭，煤炭資源開采深度也逐漸增加。與淺部煤層相比，深埋煤層原巖應(yīng)力較高，巷道開挖后能夠引起較大的應(yīng)力集中，并且由于埋深增加，巷道不僅在剛剛開挖后變形較大，同時圍巖變形的蠕變效應(yīng)也較為明顯。尤其是對于堅硬頂板巷道，由于頂板強度較高，穩(wěn)定性較好，工作面來壓步距較大，不易垮落，懸露長度較長，但是一旦頂板斷裂，極易形成強烈的風(fēng)暴，使巷道承受較大沖擊，引起圍巖失穩(wěn)變形。另外，受工作面回采影響，兩側(cè)巷道超前工作面一定距離圍巖變形嚴重，加劇了回采巷道的支護難度。

針對深埋煤層巷道圍巖的支護問題，我國學(xué)者也做了許多研究，并取得一定成果[1-3]。但是，對于深部堅硬頂板回采巷道的支護難題仍然存在。因此本文以龍頂山礦9011工作面實際條件為背景，對工作面回采巷道進行支護設(shè)計，并對支護效果進行合理評價，為工作面安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 工作面概況

龍頂山礦9011工作面位于南一采區(qū)東翼，主要開采9號煤層，工作面標高為+706m～+788m，傾斜長度為180m，走向長度為610m，煤層厚度為1.5～2.0m，平均1.8m，煤層傾角平均為22°，屬于緩傾斜煤層。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為1.5m，基本頂為砂質(zhì)泥巖與中砂巖互層，平均厚度為2.9m，基本頂上部為6.2m厚的細砂巖，巖層細粒致密，較為堅硬，工作面直接底為細砂巖，平均厚度為2.3m，基本底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為1.1m。工作面煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

工作面運輸順槽主要承擔(dān)工作面運料、進風(fēng)、行人等工作，巷道斷面為斜頂矩形，斷面寬度為4.4m，中部高度為2.7m，沿煤層頂板掘進，巷道最大高度為3.6m，最小高度為1.8m，屬于半煤巖巷，巷道埋深平均為780m。根據(jù)礦井現(xiàn)場實測，巷道最大水平主應(yīng)力為21.6MPa，最小水平主應(yīng)力為7.24MPa，垂直水平應(yīng)力為18.6MPa。根據(jù)鄰近礦井條件類似巷道支護實例，結(jié)合本工作面實際條件，確定采用樹脂加長錨固強力錨桿錨索組合支護系統(tǒng)。

2 支護參數(shù)的確定

為了保障巷道圍巖穩(wěn)定，確定合理的支護參數(shù)十分重要，下面根據(jù)相關(guān)理論，對工作面運輸順槽主要支護參數(shù)進行分析計算。

2.1 錨桿長度

根據(jù)極限平衡理論，巷道開采后，圍巖塑性區(qū)半徑應(yīng)為

式中：Rs為塑性區(qū)半徑，m；R0為巷道等效圓半徑，取2.58m；φ為巷道圍巖內(nèi)摩擦角，取30°；γ為上覆巖層平均容重，取0.025MN/m3；H為巷道埋深，取780m；C為巷道圍巖內(nèi)聚力，取2.0MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入式（1），可得巷道塑性區(qū)半徑為3.83m。

根據(jù)以上計算可知，巷道塑性區(qū)半徑為3.83m，巷道斷面最小高度為1.8m，因此，巷道頂板破壞高度最大約為3.83-1.8=2.03m。錨桿要發(fā)揮相應(yīng)的支護效果，錨固端應(yīng)布置在頂板高殘余強度塑性區(qū)內(nèi)，取錨桿長度為2.03×1.2=2.436m，考慮一定外露長度，可取錨桿長度為2.5m。

2.2 錨桿間排距的確定

根據(jù)錨桿均勻壓縮帶原理，錨桿支護就是要將一定區(qū)域內(nèi)的頂板巖層壓縮為具有承載能力的整體結(jié)構(gòu)。要達到相應(yīng)的支護效果，壓縮帶厚度應(yīng)大于錨桿長度的1/3。根據(jù)前面分析可知，錨桿長度應(yīng)取2.5m，則錨固壓縮帶厚度應(yīng)大于0.83m，取一定安全系數(shù)，壓縮帶厚度可取0.9m，則錨桿間排距可表示為

式中:D為錨桿間排距，m；l為錨固壓縮帶厚度，取0.9m；其余符號含義與前面相同。

將數(shù)據(jù)代入，可得錨桿間排距應(yīng)為1.08m，考慮到巷道頂板較為堅硬，垮落時對圍巖支護造成一定困難，應(yīng)適當(dāng)減小錨桿間排距，以增強其承載能力，因此，取錨桿間排距為1.0m。

2.3 錨桿直徑的確定

錨桿直徑的確定可以由桿體承載能力與錨固力等強度原則得出，其表達式為

式中：d為錨桿直徑，mm；Q為錨桿錨固力，可取120～130kN；σm為錨桿桿體單軸抗拉強度，可取345MPa。

將數(shù)據(jù)代入式（3），可得錨桿直徑應(yīng)為20.95～21.1mm。考慮巷道圍巖支護困難，應(yīng)適當(dāng)增加錨桿直徑以提高桿體抗拉強度，因此，取錨桿直徑為22mm，桿體材料為左旋螺紋鋼錨桿。

2.4 錨索長度的確定

錨索的作用就是將巷道頂板巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層內(nèi)，一般來講，錨入穩(wěn)定巖層內(nèi)的長度不小于2.0m。根據(jù)工作面實際地質(zhì)條件，直接頂平均厚度為1.5m，則錨索長度至少應(yīng)為1.5+2.0=3.5m。

考慮錨索外露長度，并取一定的安全系數(shù)，兼顧經(jīng)濟效益，可取錨索長度為4.7m。

2.5 錨索支護密度

錨索數(shù)目表達式為

式中:N為錨索數(shù)目，根/m；P為錨索最小破斷力，取280kN；W為巷道每米的靜壓力，kN，有

式中，B為巷道跨度，取4.4m；hz為巷道直接頂厚度，取1.5m；γz為直接頂巖層容重，取25kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入，由式（4）、（5）可得出錨索密度應(yīng)為0.86根/m。

根據(jù)礦井實際條件，錨索應(yīng)選用直徑為22mm的鋼絞線錨索，采用2-1-2布置方式，適當(dāng)增加錨索排距，取1.0m，每隔一排增加一根錨索。

2.6 支護抗力校核

為檢驗上述支護參數(shù)結(jié)果可靠，對巷道支護抗力進行校核。

錨索支護的最大支護抗力可表示為

式中，Pkm為錨索最大支護抗力，kN/m2；nm為每排錨索根數(shù)，取1.5根（每2排布置3根）；Dm為錨索排距，取1.0m；其余符號含義與前相同。

將上列數(shù)據(jù)代入，可得錨索最大支護抗力為95kN/m2。

錨桿提供的支護抗力為:

式中:Pkg為錨桿最大支護抗力，kN/m2；η為錨桿支護系數(shù)，取0.39；qmg為錨桿錨固力，取120kN；Dmg為錨桿排距，取1.0m。

將數(shù)據(jù)代入，可得錨桿最大支護抗力為39kN/m2。

巷道支護總抗力Pk=39+95=134kN/m2。安全系數(shù)為:

式中:K為支護安全系數(shù)；qc為巷道頂板載荷，取72.5kN/m2。

將數(shù)據(jù)代入，得安全系數(shù)K=1.8＞1.5，滿足需求。

3 確定支護方案

通過上述計算，確定了錨桿采用直徑為22mm，長度為2.5m的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1.0×1.0m，頂板每排布置5根錨桿，高幫側(cè)布置3根錨桿，低幫側(cè)布置2根錨桿，同時采用W型鋼帶和菱形金屬網(wǎng)支護，網(wǎng)孔尺寸為50×50mm；錨索采用直徑為22mm，長度為4.7m的鋼絞線錨索，采用2-1-2布置方式，錨索排距為1.0m。巷道支護斷面圖見圖2。

圖2 巷道支護斷面圖

4 支護效果評價

1）在巷道掘進期間，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?6mm，兩幫移近量最大為46mm，在巷道掘進后18d內(nèi)，巷道圍巖變形較為距離，40d后，變形趨于穩(wěn)定，圍巖最大變形速度為2.3mm/d。

2）在工作面回采期間，受采動影響，工作面前方30m范圍內(nèi)巷道變形嚴重，巷道頂?shù)装逡平孔畲?01mm，兩幫移近量最大為198mm，最大變形量在6.1%，支護效果良好，滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié) 論

根據(jù)龍頂山礦9011工作面實際地質(zhì)條件，對深井條件下堅硬頂板回采巷道支護技術(shù)進行分析研究，根據(jù)錨桿均勻壓縮帶原理，計算錨桿支護基本參數(shù)，確定合理支護方案，在實際生產(chǎn)中，取得了良好效果，巷道最大變形量保持在6.1%以內(nèi)，為工作面安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。