復合頂板支護設計方案

苑 杰

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原030053）

1 工作面巷道基本情況

根據銜接計劃安排，礦井將對48611工作面掘進，48611工作面井下位于南六采區。北鄰南六采區集中巷道；南鄰杜兒坪礦礦界；東、西部為實煤區。工作面上覆北部2號煤為西銘礦西十2號煤42008、42010、42012采空區，南部為西銘礦西十二42208采空區以及42206工作面（待采）、42204工作面（掘進），8號煤與2號煤層間距85 m左右；3號煤不可采，8號與3號煤層間距68 m左右。

工作面地表位于富家洼村以東、婁煩灘溝以西、蒿地茆村西南，窯兒頭村、杜兒坪礦礦界以北。工作面地表為溝谷地形，溝谷兩側出露二疊系上統上石盒子組（P2S）部分地層，局部山頂覆蓋第四系（Q）黃土層；地表無廢棄井筒、線塔、公路及煤層露頭存在；蓋山厚度平均423 m。

該面所掘8號煤層節理發育，結構復雜。煤層上部夾石為2.00～3.74 m，平均2.84 m的泥巖或砂質泥巖；8號煤上分層厚度0.52～0.79 m之間，平均厚度約為0.65 m；下分層厚度3.17～3.75 m之間，平均厚度約為3.47 m，總體來說厚度的變化不明顯，屬于較為穩定的單一中厚煤，如表1所示。

表1 煤層頂底板巖層特征表

巷道用途為回采巷道，服務時間短，確定巷道斷面形狀為矩形，結合西銘礦工作面回采經驗，選用矩形斷面，皮帶巷寬度確定為4.8 m，高度確定為3.5 m。巷道采用綜掘開口施工，托夾石掘進,皮帶巷長度為1 709 m。

2巷道支護技術方案

結合西銘礦支護經驗，采用工程類比法，確定巷道頂板支護形式為“錨桿+錨索+鋼筋網”支護，，如下頁圖1所示，選用Φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿，矩形布置，錨桿間排距1 100 mm×1 000 mm，每根頂錨桿裝MSCKb2360型藥卷1卷和MSK2380型藥卷1卷，戴成品托片一個。錨索使用Φ21.6 mm×5 400 mm鋼絞線配合鎖頭、托盤，矩形布置，間距2 200 mm，排距2 000 mm，每孔配MSK2380（外）錨固劑兩個，MSCKb2360（里）錨固劑一個固定。兩面側幫采用規格為Φ20 mm×1 800 mm的螺紋鋼錨桿配合上菱形金屬網支護,錨桿的間排距規定為1 500 mm×1 200 mm，矩形布置，每根幫錨桿裝MSCKb2360型藥卷1卷和MSK2380型藥卷1卷，配成品井字托片和小片各一個，最上排錨桿距頂板300 mm。

當施工錨桿時要在臨時支護的掩護下進行，采用掘錨護一體機的錨護部分作為工作面的臨時支護，待施工完后先將臨時支護升起，使之接頂，再進行錨桿的永久支護。工作面循環進度為2 m，工作面最大控頂距為2.4 m，最小控頂距為0.4 m。

錨桿緊固力達到190 N·m。錨桿錨固力不低于105 kN。錨索預緊力達到100 kN以上。錨索錨固力不低于200 kN。

3 巷道掘進支護設計

根據懸吊原則理論設計巷道的支護參數。

3.1 錨桿支護設計

重點是確定巷道被破壞區的范圍值（其中包括巷幫破壞深度C，頂板破壞高度b），再次確定巷道支護的載荷值（其中包括頂板載荷集度Qr，巷幫載荷集度Qs），最后再確認錨桿支護的具體參數。

圖1 巷道支護示意圖（單位：mm）

3.1.1 巷道兩幫的破壞深度值C的確定

式中：Kσ是應力集中系數；Kσ=KsKa=2.76，Ks是與巷道的斷面形狀有關的應力集中系數，Ks=2.3，Ka是受臨近工作面采空區影響的系數；σcc是指被巷道切割的煤層單向抗壓強度，取值10 MPa；α是指煤層的傾角，取值4°；hc是指被巷道切割的煤層厚度，取值3.47 m；γ是指巷道上覆巖層的平均容重，取值25 kN/m3；H是指巷道的埋深，取值423 m；l是指巷道切割層的最大寬度，取值4.8 m；μ是指煤層波松比，取值0.45；φ是指煤層的內摩擦角，。

Ka的計算公式如下：

式中：X是指預留煤柱的實際寬度，X=25 mm；σrm是指老頂的單向抗壓強度，σrm=60 MPa；h是指巷道的采高，h=3.47m；hi是指直接頂的厚度，取平均值2.84m。將數據代入公式（2）計算得Ka=1.2。

將以上所有數據代入公式（1），得C＝1.18 m。

3.1.2 巷道頂板破壞高度b的確定

式中：a是指懸臂巖層的半跨距，取值2.4 m；λ是指考慮水平應力作用的巷道側壓系數，λ=μ/（1-μ）=0.818；Ky是指頂板巖層的完整系數；σcr是指頂板巖層的單向抗拉強度，取值70 MPa。

Ky的計算公式如下：

式中：D1是指節理的間距，取值0.3 m；D2是指分層的厚度，取值0.2 m。將數據代入公式（4）計算得Ky=0.38。

將相關數據代入公式（3），算得b=1.27 m。

3.1.3 頂板載荷集度Qr的確定

將相關數據代入公式（5），算得Qr=242 kN/m。

3.1.4 巷幫載荷集度Qs的確定

將相關數據代入公式（6），算得Qs=67 kN/m。

3.1.5 頂板錨桿的參數設計

頂板被破壞的高度在0.2 m與1.6 m之間。

3.1.5.1 錨桿的長度Ldr

式中：Δ為錨桿外露長度與錨固段長度之和，錨桿外露長度取0.1 m，錨入穩定巖層的固段長度取0.3 m。

將相關數據代入公式（7），算得Ldr=1.67 m，根據施工實踐經驗取1.8 m。

3.1.5.2 錨桿桿體的直徑d

根據的原則是桿體承載力與錨固力等強度，所以

式中：Q是指錨固力，取值105 kN；σt是指桿體材料抗拉強度，取值490 MPa。

將相關數據代入公式（8），算得d=16.44 mm，取20 mm。

3.1.5.3 錨桿的排距Dr

式中：Pr是指錨桿拉拔力，取值105 kN；K是指安全系數，取值1。

將相關數據代入公式（9），算得Dr=1.43 m，根據西銘礦錨桿使用的經驗，取1.0 m。

3.1.5.4 每排錨桿根數N

將相關數據代入公式（10），算得N=3.45，根據經驗工作面皮帶巷托夾石掘進時，采用矩形布置，取5根。

3.1.6 幫錨桿支護參數的確定

3.1.6.1 錨桿的長度Lbr

將相關數據代入公式（11），算得Lbr=1.58 m，根據以往的施工經驗，取值1.8 m。

3.1.6.2每排錨桿根數N'

式中：Ds是指錨桿的排距，取值1.5 m；Ps是指幫錨桿的拉拔力，取值50 kN。

將相關數據代入公式（12），算得N'=2.01，根據經驗，取3根。

根據上面所有數據的演算，以及以往的施工經驗判斷，工作面如果托夾石掘進時，頂錨桿支護的間、排距規定為1.1 m×1.0 m，矩形布置，幫錨桿的間、排距規定為1.2 m×1.5 m。

3.2 切眼錨索補強支護

巷道采用錨索加強頂板支護，使用Φ17.8 mm×5 400 mm鋼絞線，間排距2.2 m×2.0 m。

3.2.1 錨索排距S的計算

式中：B為巷道最大冒落寬度，取4.8 m；H'為潛在冒落高度為2.4 m；γ為巖體的容重取25 kN/m3；S'為錨桿排距，1.0 m；F1為錨桿設計錨固力，105 kN；F2為錨索錨固力，取200 kN；θ為角錨桿與巷道的夾角，75°；n為錨索排數，取2排。

將相關數據代入公式（13），算得S=4.6 m。實際支護錨索排距2.2 m＜4.6 m，滿足支護要求。

3.2.2 錨索長度L的計算

式中：L1為錨索的深入到較穩定巖層的錨固長度，一般為1.5～2.0 m，取2 m；L2為潛在冒落高度，取2.4 m；L3為外露長度，0.25 m。因此L=4.65 m。

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

4 巷道支護監測

使用錨桿拉拔儀，每隔300根檢查三組，一組3根，做拉拔實驗，達到105 kN。使用錨桿力矩扳手對每根錨桿，緊固檢查，達到190 Nm。巷道每隔50 m安設一個頂板離層儀；巷道開口及交叉口處各安裝一個頂板離層儀。每隔50 m安設一個液壓枕對錨桿（錨索）受力載荷進行監測監控。

5 結語

巷道的支護形式確認通過對錨桿長度、直徑等數值的計算，就能夠做到科學合理排布，并且在此基礎上再配合礦壓監測監控，就能保證施工質量合格，確保巷道施工安全，值得相同地質條件的煤礦推廣使用。