43311 巷道支護設計應用研究及校核

張 瑋

（晉城無煙煤礦業集團有限公司長平煤礦，山西 晉城 048006）

近年來，隨著礦井采掘深度和范圍的增加，巷道在掘進過程中面臨著許多問題[1-3]，例如圍巖破碎、支護困難等，使得掘進工作面的支護勞動強度高，作業中存在安全隱患[4]，威脅到生產人員的安全，影響生產進度及效率[5-8]。

長平公司43311 巷掘進工作面北部以及東南部均為村莊，南部為工業廣場區域，地面標高在+943～ +1017 m 之間，巷道標高為+489～ +509 m 之間，蓋山厚度約為454～528 m。

1 掘進工作面技術特征

43311 掘進工作面布置在3#煤層中，沿3#煤層頂板掘進。其周邊環境復雜，北部為四盤區北翼膠輪車二巷，東部為運煤聯絡巷（已掘），西部為43311 綜采工作面（正在布置），南部為工業廣場保護煤柱。43311 巷道設計長度為628.77 m，巷道開口位置在四盤區北翼膠輪車二巷與43311 巷出煤橫川交叉點位置處。43311 巷巷道整體中間高兩端低，巷道沿煤層傾向布置，掘進坡度為1°～7°，巷道相對高差為12 m，掘進中局部頂板節劈理發育，煤體疏松破碎。43311 巷掘進至156 m 左右，可能揭露DX216 陷落柱，該陷落柱長軸約84 m，在巷道內影響長度約20 m。

前期勘探探明煤層總厚度為5.73 m，煤質以亮煤為主，呈黑色，塊狀及條帶狀結構，暗煤次之，其中含鏡煤，金屬光澤，光亮型煤，其斷口呈參差狀，結構簡單，夾矸為泥巖。巷道43311 設計斷面特征參數見表1。

表1 設計斷面技術特征表

巷道頂底板特征見表2。

表2 煤層頂底板巖層特征

2 支護方案

針對圍巖破碎、支護困難等問題，43311 巷道的支護方式采用高強度錨桿、錨索、菱形網、W 鋼護板、鋼筋托梁等聯合支護。

頂板和巷幫均采用桿體直徑Φ22 mm×2400 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼，500 號鋼材，桿尾螺紋為M24 的錨桿。錨桿的延伸率≥18%，錨固方式采用樹脂加長錨固，即采用兩支錨固劑，先放一支MSK2335 型錨固劑，再放一支MSZ2360 型錨固劑。鉆孔直徑選擇30 mm，孔深在2290～2310 mm 之間，錨固長度選擇1208 mm。錨桿托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm，采用高強度拱形托板，設計要求力學性能與桿體一致，配合高強度托盤調心球墊和減磨墊圈、強力錨桿螺母。螺母的設計預緊力矩為400 N·m，設計錨固力為190 kN。

錨桿每排布置6 根，排距為1000 mm，間距為1000 mm，兩端錨桿距巷幫300 mm。錨桿垂直巷道頂板，角度偏差不超過±5°。

網片選用型號為LW10/50-1.2×3.5，采用10#鐵絲編織的菱形網護幫，網格為50 mm×50 mm，其搭接方式為在網片之間采用后排網壓前排網方式搭接，搭接長度不小于100 mm，采用雙股聯網絲（16#鐵絲）捆扎，每米捆扎12 道，擰結5 圈，其錨索采用“1-1”布置方式。

3 支護參數校核

3.1 理論分析

根據43311 巷道的工作面技術特征以及支護的需要，利用工程類比法及現場經驗選擇錨桿支護系統支護頂板。根據本設計的支護理念，決定采用自然平衡拱原理作為錨桿支護設計的數學模型，通過巷道圍巖層間的關系來確定巷道支護的錨桿參數。平衡拱理論認為，煤礦巷道在開掘以后由于受到地應力作用，煤層中圍巖層與層間的相互支撐連接關系被破壞，失去應力支撐能力，隨著不斷向深部延伸，巷道圍巖穩定性逐漸提高，從而形成自然平衡拱，達到整體圍巖穩定的目的。普氏圍巖壓力計算模型如圖1。

圖1 普氏圍巖壓力計算模型

而普氏理論是在自然平衡拱理論的基礎上，作了如下兩點的假設：

（1）巖體由于節理的切割，經開挖后形成松散巖體，但仍具有一定的粘結力；

（2）開挖后，硐頂巖體將形成一自然平衡拱。在硐室的側壁處，沿與側壁夾角為45°-θ/2 的方向產生兩個滑動面，其計算簡圖如圖1 所示。而作用在硐頂的圍巖壓力僅是自然平衡拱內的巖體自重。

3.2 支護參數校核

根據普氏理論和自然平衡拱理論以及兩個假設的基礎可以得到煤幫破壞深度 ：

式中：h為巷道高度，取3.6 m；θ為近似摩擦角，其表達式為θ=tg-1f；f是煤的普氏硬度系數，取0.9。

自然平衡拱高度b的表達式可以表示為：

式中：a為巷道寬度數值的一半，取2.8 m；f為頂板巖體的普氏硬度系數，粉砂巖的普氏硬度系數取4。錨桿的長度計算公式可以表示為：

式中：l1為錨桿的外露長度，取值0.1 m；l2為錨桿有效長度，取1.10 m；l3為錨桿深入基本頂長度，l3的長度計算在此分別用兩種方法：

（1）根據經驗公式取值0.3～0.4 m。

（2）按照錨固粘結力與拉斷承載力關系計算，則有如下的關系：

式中：d為錨桿直徑；σt為錨桿抗拉強度，錨桿材質為HRB500 鋼筋的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿；τc為粘結強度，一般取值為6 MPa。因此根據式（1～4）計算就可得到錨桿長度。

根據《采礦工程設計手冊》和《煤巷錨桿支護理論與成套技術》錨桿直徑計算公式為：

式中：d為錨桿的直徑，m；Q是錨桿錨固力，一般取現場拉拔力試驗數據的平均值或經驗數據。

根據《采礦工程設計手冊》和《煤巷錨桿支護理論與成套技術》錨索設計長度應滿足：

式中：L為錨索的總長度；La為錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，其計算公式為：

式中：K為安全系數，根據經驗一般取2；d1為錨索直徑；fa為錨索抗拉強度；fc為錨索與錨固劑的粘結強度；Lb為需要懸吊的不穩定巖層厚度，即為自然平衡拱的高度；Lc為托盤及錨具的厚度；Ld為外露升拉長度。

頂板懸頂面積計算公式為：

式中：A為懸頂的面積；Q為錨桿設計錨固力；r為被懸吊巖石容重；L2為冒落拱高度。

由式（1～8）可得巷道整體壓力，即自然平衡拱的高度、錨桿的長度、錨桿直徑和錨索長度以及錨桿間排距的計算結果，見表3。

表3 實際巷道設計值和理論計算值的對照

通過表3 可以得出：巷道43311 掘進工作面選擇的斷面以及支護參數滿足巷道支護設計要求。

4 結論

針對圍巖破碎、支護困難等問題，根據巷道的技術特征和地質條件，利用自然平衡拱原理對支護參數進行校核計算。校核計算結果表明巷道43311選擇的斷面以及支護參數均能夠滿足設計要求，能夠保證巷道整體穩定性以及安全性。