11上401 工作面巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

閆 東

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

井工煤礦開采過(guò)程中，科學(xué)合理的支護(hù)設(shè)計(jì)不僅能夠有效保證巷道支護(hù)質(zhì)量，降低頂板事故發(fā)生概率，而且能夠提高巷道掘進(jìn)效率，節(jié)約巷道支護(hù)成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工效[1-2]。目前，錨桿（索）支護(hù)已成為我國(guó)煤礦井下巷道支護(hù)選取的主要支護(hù)方式[3]。本文以隆安煤礦為例，結(jié)合井下巷道圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巷道幾何形狀與尺寸等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算分析，對(duì)11上401 進(jìn)風(fēng)順槽巷道支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，巷道支護(hù)效果較好。

1 工程概況

11上401 工作面位于四采區(qū)，為11#煤層上分層四采區(qū)首采工作面，布置有進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、開切眼三條巷道。工作面煤層傾角平均4°，煤層厚度為1.38～1.92 m，平均1.6 m。工作面進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面寬5.0 m，高2.7 m，掘進(jìn)斷面積13.5 m2，順槽長(zhǎng)度1 323.13 m。

11#煤頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，裂隙較發(fā)育，隨采易垮落，頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。11#煤采掘過(guò)程中若遇斷層構(gòu)造，伴生裂隙發(fā)育，導(dǎo)致頂板破碎，頂板管理困難。

圖1 11#煤層煤巖層綜合柱狀圖

2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 巷道圍巖性質(zhì)分析

巷道圍巖的穩(wěn)定性可以分為5 個(gè)類別，分別是非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定[4-5]。根據(jù)頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果，結(jié)合工作地質(zhì)條件等情況，將11上401 工作面進(jìn)風(fēng)順槽圍巖穩(wěn)定性劃分為II 級(jí)，為穩(wěn)定圍巖。按照煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范要求，巷道頂板巖層較為破碎時(shí)，巷道支護(hù)方式采用錨桿+鋼筋網(wǎng)；若巷道頂板巖層較為完整，巷道支護(hù)采用錨桿+鋼筋梁的支護(hù)方式，或采用桁架支護(hù)。錨桿選用直徑為18～20 mm、長(zhǎng)度為1.8～2.0 m的錨桿，間排距0.8～1.0 m，設(shè)計(jì)錨固力64～80 kN。

2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析結(jié)果，采用工程類比和理論計(jì)算方法對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行初步確定。

2.2.1 巷道錨固參數(shù)設(shè)計(jì)

錨桿錨固方式可以分為全長(zhǎng)錨固、加長(zhǎng)錨固和端頭錨固三種方式。根據(jù)礦井的巷道圍巖性質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，進(jìn)風(fēng)順槽錨固方式采用加長(zhǎng)錨固方式。巷道頂部采用直徑為Ф20 mm 的高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋錨桿，其破斷載荷為180 kN。頂錨桿錨固長(zhǎng)度按照公式（1）計(jì)算：

式中：P0為設(shè)計(jì)錨固力，取錨桿破斷載荷180 kN；R為錨桿孔半徑，取值14 mm；C0為樹脂藥卷粘結(jié)強(qiáng)度，按松軟破碎巖體考慮，取1.35 MPa。

所需藥卷長(zhǎng)度按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：R錨為錨桿桿體半徑，取10 mm；R藥為樹脂藥卷半徑，取11.5 mm。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，巷道頂部錨桿選取的樹脂藥卷型號(hào)為CK2360 和K2360，每種型號(hào)藥卷各一支。則單孔實(shí)際錨固長(zhǎng)度可以利用公式（3）進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算如下：

2.2.2 頂板錨桿間、排距設(shè)計(jì)

11上401 工作面進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面凈寬5 m，凈高2.7 m，破頂沿11#煤層底板布置。根據(jù)礦井巷道圍巖地質(zhì)資料，巷道頂板巖層容重取24 kN/m3，巷道頂板巖層普氏硬度系數(shù)取12，煤巖層內(nèi)摩擦角取35°。巷道頂板圍巖支護(hù)載荷集度按照公式（5）計(jì)算如下：

式中：∑h為頂板巖體中軟弱巖層厚度，取6.0 m；b′為巷道等效跨度，m，按照公式（6）計(jì)算；f為頂板普氏系數(shù)，取12；γ為頂板平均容重，取24 kg/m3；h0為巷道高度，取2.7 m；k為系數(shù)，取1。

巷道等效跨度b'計(jì)算公式如下：

式中：K為安全系數(shù)，取1.2；K'為變形載荷系數(shù)，取1.1。頂板錨桿布置間、排距設(shè)計(jì)按照公式（8）計(jì)算：

因11上401 工作面受單斜構(gòu)造、滑動(dòng)構(gòu)造、圍巖裂隙等地質(zhì)構(gòu)造情況及巷道埋深等因素影響，根據(jù)井下巷道設(shè)計(jì)的斷面參數(shù)，取巷道頂部錨桿布置間距為1100 mm，排距布置為1000 mm，每排布置5 根錨桿，靠近兩幫的錨桿距離巷幫300 mm，與鉛垂線呈20°向巷幫傾斜，其余錨桿垂直頂板布置。

2.2.3 幫部錨桿間、排距設(shè)計(jì)

兩幫煤體普氏系數(shù)取2.5，兩幫所需要的錨固強(qiáng)度按照公式（9）計(jì)算如下：

式中：q為錨桿對(duì)圍巖表面的平均作用力，取值按照公式（10）計(jì)算，取288.9 kN；φ為內(nèi)摩擦角，取30°。

錨桿對(duì)圍巖表面的平均作用力q計(jì)算公式如下：

式中：b為巷道高度，取5 m；l3為巷道兩幫可承載錨固體厚度，計(jì)算公式如（11），取1 m。

錨桿布置密度計(jì)算公式按照公式（12）計(jì)算如下：

式中：P0為幫部錨桿錨固力，取100 kN。

則巷道幫部錨桿布置設(shè)計(jì)間距和排距計(jì)算如下：

根據(jù)巷道斷面參數(shù)，取幫部錨桿布置的間、排距均為1000 mm，每排設(shè)計(jì)布置2 根錨桿，巷道上幫的錨桿布置距離巷道頂板500 mm。幫部錨桿采用Ф20 mm 左旋螺紋鋼錨桿，頂板和幫錨桿長(zhǎng)度不變，仍采用現(xiàn)有錨桿長(zhǎng)度，頂錨桿2200 mm，幫錨桿1800 mm。

2.2.4 錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

選用的錨索直徑為Φ17.8 mm，為7 芯鋼絞線錨索，其破斷載荷為360 kN。錨索錨固段的巖層為穩(wěn)定性巖層。計(jì)算錨索錨固長(zhǎng)度公式如下：

式中：P0為設(shè)計(jì)錨固力，取360 kN；C0為樹脂藥卷粘結(jié)強(qiáng)度，按穩(wěn)定性巖層考慮，取值為

2.5 MPa。

藥卷所需的長(zhǎng)度按照公式（15）計(jì)算如下：

錨索排距為2000 mm，每排2 根，間距為1800 mm，全部垂直頂板布置。

2.2.5 支護(hù)方案

根據(jù)上述計(jì)算，11上401 工作面進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)方案為：錨桿+錨索+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)。錨桿設(shè)計(jì)布置方式為：巷道頂部錨桿長(zhǎng)2200 mm，錨桿排距為1000 mm，間距為1100 mm，每排5 根錨桿，靠近兩幫的錨桿與巷道幫部的距離為300 mm，且向兩幫傾斜約20°；巷幫錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1800 mm，錨桿間、排距均為1000 mm，每排設(shè)計(jì)布置2 根錨桿，巷道上幫錨桿距離巷道頂部500 mm，垂直幫部布置；錨索支護(hù)設(shè)計(jì)布置方式為：間距1800 mm，排距2000 mm，每排2 根，距巷幫1600 mm，垂直頂板布置。巷道錨網(wǎng)索支護(hù)示意圖如圖2。

圖2 進(jìn)風(fēng)順槽巷道支護(hù)示意圖

3 應(yīng)用效果

為保證巷道支護(hù)質(zhì)量與安全，了解巷道支護(hù)設(shè)計(jì)是否合理、支護(hù)效果是否滿足設(shè)計(jì)要求，為今后的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，在11上401 工作面進(jìn)風(fēng)順槽每間隔50 m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用“十字”觀測(cè)法對(duì)進(jìn)風(fēng)順槽巷道圍巖變化情況進(jìn)行定期觀測(cè)，通過(guò)近60 d 的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，并將觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，繪制出如圖3 所示的巷道圍巖變形曲線圖。

圖3 11上401 工作面進(jìn)風(fēng)順槽巷道圍巖變形曲線圖

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析可知，巷道頂?shù)装遄冃瘟吭谙锏谰蜻M(jìn)施工完成20 d 內(nèi)產(chǎn)生的變化較大，圍巖變形量較大，其中巷道兩幫移近量在40 mm 左右，頂?shù)装逡平吭?0 mm 左右，20 d 以后，巷道圍巖變形量不再變化，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，證明采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式能夠有效控制巷道圍巖變形，確保了支護(hù)安全。

4 結(jié)論

結(jié)合隆安煤礦11上401 工作面進(jìn)風(fēng)順槽圍巖結(jié)構(gòu)特征及工作面地質(zhì)條件，對(duì)進(jìn)風(fēng)順槽圍巖進(jìn)行了分類，根據(jù)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范要求，提出了巷道采用錨桿+錨索+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)的支護(hù)方式。工作面掘進(jìn)過(guò)程中采用該種支護(hù)方式后，通過(guò)對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行定期觀測(cè)，該支護(hù)方式在掘進(jìn)施工完成后20 d 內(nèi)巷道圍巖變形量較大，其中巷道兩幫移近量在40 mm 左右，頂?shù)装逡平吭?0 mm 左右，20 d 以后巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，證明該支護(hù)方式能夠有效控制巷道圍巖變形，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。