42206工作面巷道支護技術研究

馮耀峰

(西山煤電西銘礦，山西 太原 030052)

1 工程概況

42206工作面地表位于富家窳村以東，杜兒坪礦以北，蒿地茆村西南，太佳公路以西，婁煩灘溝由南向北穿過工作面東部地表。工作面蓋山厚度310～437m，平均350m左右。地面標高1406～1539m，工作面標高1088～1106m。42206工作面井下位于西十二采區(qū)左翼，東為42020、42018采空區(qū)，南為42208采空區(qū)，西鄰西十二左翼回風巷，北為42204工作面（設計）。該工作面巷道布置于2#煤層，煤層結構簡單，煤層傾角1～4°，平均傾角2°。煤層厚度1.60～2.10m，平均厚度1.80m，屬穩(wěn)定煤層。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 巷道錨網(wǎng)支護的設計原則

根據(jù)西銘礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，在原有巷道支護的基礎上，依據(jù)巷道支護原理，確定錨桿索支護方案設計原則：

（1）高預應力和預應力擴散原則。高預應力錨桿能有效控制圍巖變形，真正實現(xiàn)主動支護。

（2）一次支護原則。盡量只用一次支護就可以使圍巖穩(wěn)定。

（3）“三高一低”原則。即錨桿有高的強度、剛度、可靠性以及支護密度要低的原則。

（4）臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護的剛度與強度要高于臨界值，才能保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

（5）經(jīng)濟合理性原則。在保證巷道圍巖穩(wěn)定性的原則下，要盡可能使巷道支護的綜合成本降低[1]。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

3 基于工程類比的方法確定支護參數(shù)

目前，在設計煤礦巷道支護時最常用的方法就是工程類比法。這種方法是以成功的類似礦井支護設計為基礎，通過對比直接得出錨桿支護參數(shù)。根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分類（Ⅰ非常穩(wěn)定、Ⅱ穩(wěn)定、Ⅲ中等穩(wěn)定、Ⅳ不穩(wěn)定、Ⅴ極不穩(wěn)定五類）確定合理的巷道支護設計方案是比較常用的方法[2]。

西銘礦42206皮帶巷掘進工作面巷道圍巖穩(wěn)定性總體上屬于Ⅱ類穩(wěn)定圍巖。

根據(jù)Ⅱ類巷道的錨桿支護技術規(guī)范，其支護方式為：

（1）不支護或單體錨桿+網(wǎng)；

（2）頂板支護的主要參數(shù)為：全長錨固方式，桿體的直徑為18～24mm，桿體的長度為2.0～2.6m，間排距為0.6～1.0m。

4 基于理論分析的錨網(wǎng)支護參數(shù)

4.1 理論計算

（1）頂錨桿長度：

式中：

L-頂錨桿的長度，m；

T2-錨桿的外露長度，取0.1m；

I-錨桿錨入堅固穩(wěn)定巖層深度，取0.3m；

H-軟弱巖層的厚度，取0.7m；

K-安全系數(shù)，取2。

根據(jù)計算得頂錨桿長度為2.2m[3]。

（2）頂錨桿直徑：

式中：

d-頂錨桿直徑，m；

Q-錨桿錨固力，取90kN；

δ-桿體抗拉強度，該礦現(xiàn)用左旋螺紋鋼，取490MPa；

根據(jù)計算得頂錨桿的直徑為20mm。

（3）頂錨桿間、排距：

式中：

ɑ-錨桿的間距，m；

Q-錨桿的錨固力，取90kN；

γ-巖體的容重，取2.25t/m3；

k-安全系數(shù)1.5～1.8，取1.8；

L2-軟弱巖層厚度，取0.7m。

通過以上計算得，42206皮帶巷頂錨桿間、排距為0.8m×1.0m，切眼頂錨桿間、排距為0.8m×1.0m，矩形方式布置，能夠滿足巷道支護穩(wěn)定性的要求。

（4）幫錨桿長度：

式中：

a1-片幫的最大深度；

δc-兩幫的似內(nèi)磨擦角，取32°；

h-掘進巷道錨桿的支設高度，取2.3m[3]。

根據(jù)計算得幫錨桿長度為1.8m。

（5）幫錨桿間、排距：

式中：

qc-兩幫側(cè)壓力，t/m；

rc-2#煤的容重，取1.33t/m3；

h-掘進巷道高度，取2.8m；

h0-錨桿錨入煤巷深度，取1.75m；

δc-兩幫似內(nèi)磨擦角，取32°。

通過以上計算得幫錨桿的間排距確定為1.5×1.2m，兩排花型布置，幫錨桿的設計錨固力為5t/根，實際支護密度為1.66根/m，實際支護能力為8.3t/m，能滿足支護的要求。

（6）錨索補強：

式中：L=nF2/[BHγ-(2F1sinθ)/L1]=16.52m

L-錨索的排距，m；

B-巷道最大冒落寬度，取3.6m；

H-巷道最大冒落高度，取錨桿長度2.2m；

γ-巖體的容重2.25t/m3，取22.5kN/m3；

L1-錨桿排距，1m；

F1-錨桿設計錨固力90kN，取70kN；

F2-單根錨索極限破斷力，Φ17.8mm取355kN；

θ-角錨桿與巷道的夾角，75°；

N-錨桿排數(shù)，取1排。

該面錨索間排距4.0×2.2m，兩排花型布置，滿足支護要求。

錨索長度:

式中：L=L1+L2+L3+L4=4.55m

L-錨索的總長度，m；

L1-錨索的深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度一般1.5～2.0m，取2m；

L2-需要懸吊的不穩(wěn)定巖層，取2m；

L3-上托盤及鎖具厚度，0.2m；

L4-外露的長度，0.35m[4]。

結合實際情況，選取直徑Φ17.8mm、長度為5.4m的錨索，可滿足支護要求。

4.2 巷道永久支護形式

（1）皮帶巷頂板的布置方式為頂錨桿按間排距為0.8m×1.0m，錨索間排為2.2m×4m，錨桿托盤為150×150×10mm，布置有礦用塑料防護網(wǎng)；幫錨桿按兩排三花布置，間排距為1.5m×1.2m，上排距頂板0.5m。布置如圖1所示[5]。

（2）皮帶巷貫眼頂板采用螺紋鋼錨桿、金屬網(wǎng)、錨索的聯(lián)合支護，巷道兩幫采用螺紋鋼錨桿支護，幫錨桿按三排矩形布置，間排距為1m×1m，上排距頂板0.3m；頂錨桿按間排距0.8m×1.0m的布置方式，錨索間排距2.2m×4m。布置如圖2所示。

（3）皮帶巷皮帶頭頂板采用螺紋鋼錨桿、金屬網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護，頂錨桿按間排距0.8m×1.0m布置，錨索按兩排矩型布置，間排距2.2m×2m；巷道兩幫采用螺紋鋼錨桿支護，幫錨桿按三排矩形布置，間排距確定為1.5m×1m，上排距頂板0.3m。

圖1 頂板錨桿、索布置圖

圖2 幫錨桿布置圖

4.3 支護材料的材質(zhì)、規(guī)格、型號

頂錨桿采用螺紋鋼錨桿，桿體為Φ20mm，長2.2m，每根錨桿配MSCKb2360錨固劑一個，MSK2380錨固劑一個，配Φ26mm、75mm×75mm成品頂托片一個；鋼帶采用3.4m成品五眼鋼帶、4.2m成品五眼鋼帶及5m成品七眼鋼帶；幫錨桿采用螺紋鋼錨桿，桿體Φ20mm，長1.8m， 每根錨桿配MSCKb2360錨固劑一個，MSK2380錨固劑一個，配150mm×100mm成品井字托片和小片各一個；錨索采用Ф17.8mm、長為5400mm的鋼絞線配合鎖頭、托盤，每孔配MSK2380錨固劑兩個，MSCKb2360錨固劑一個固定，托板采用長×寬=250×250mm、厚14mm的鋼板制作，并在正中鉆一個直徑Φ20mm的圓孔。金屬網(wǎng)采用50mm×50mm菱形網(wǎng)，頂部金屬網(wǎng)規(guī)格3.8m×1.2m，兩幫金屬網(wǎng)規(guī)格2.4m×1.2m。聯(lián)網(wǎng)針規(guī)格為12#×500mm，聯(lián)網(wǎng)距200mm，搭接長度100mm。

5 結論

以西銘礦42206皮帶巷掘進工作面支護參數(shù)為研究對象，結合工程類比法、理論計算分析，確定了巷道的支護設計方案。