“斷層+背向斜”構造條件下工作面巷道支護技術研究

李永剛

（陽煤集團華陽新材料科技有限責任公司新元公司，山西 壽陽 045400）

1 概況

陽煤集團新元公司31006 工作面的31006 輔助進風巷、回風巷由西向東布置，西鄰集中回風大巷（西）、集中膠帶大巷、集中輔運大巷、集中回風大巷（東）、新補輔運巷，北鄰31004 工作面（正布置）。31006 輔助進風巷設計全長3 227.8 m，煤層傾角2o～5o，平均3o，煤層厚度2.50～3.30 m，平均2.93 m。

根據三維地震資料，31006 輔助進風巷總體為寬緩的向、背斜構造影響區，該面圈定兩個向斜、兩個背斜構造及3 條正斷層；31006 輔助進風巷依次施工至704 m、1396 m 可能存在JX4、JX5 陷落柱。31006 輔助進風巷沿3#煤層頂板掘進，采用綜掘工藝，掘一排、支護一排。

2 輔助進風巷支護方案

2.1 巷道斷面及支護形式

根據對3#煤層頂板礦壓觀測數據的統計和頂板支護經驗，為滿足31006 工作面通風要求，初步設計31006 輔助進風巷為矩形斷面，頂部支護采用W鋼帶、金屬網、錨索、錨桿聯合支護，幫部采用金屬網、錨桿、錨索聯合支護。巷道斷面特征見表1。

表1 巷道斷面特征表

2.2 支護參數設計

2.2.1 錨索支護參數

（1）在驗算錨索支護理論的過程中，需要將懸吊理論作為主要內容。通過這種方式可以避免巷道頂板冒落。使用以下公式：

式中：G 為錨索所承擔的危石或者離層巖層的重量，kN，在計算的過程中需要確保離層巖層厚度大于或等于一半的巷道寬度，此處選擇3.0 m；K 代表的是安全系數，通常其取值為2；n 代表的是錨索根數；γ 代表的是巖石容重，26.7 kN/m3；A 代表的是錨索所對應的設計承載力，N。

G進風= h·S·γ =5.2×3.2×1×26.7=444.29 kN

G回風= h·S·γ =5.6×3.5×1×26.7=523.32 kN

(3)從節點網絡來看，2010-2016年河南省各節點城市的程度中心度普遍提高，旅游經濟聯系不斷增強，但是城市間的旅游交往能力差異性較大，其中鄭州、洛陽、開封與其他城市旅游經濟聯系最為頻繁，是河南省旅游經濟聯系交往的關鍵樞紐。此外，隨著各個節點城市旅游經濟聯系的可進入性普遍提高，城市間旅游經濟距離捷徑化，邊緣城市的作用得到發揮。近7年間鄭州的中介中心度一直居于首位，表明鄭州市的節點網絡開放程度較高，對其他城市的控制力最強，但是如果過度依賴鄭州的中介作用，又會使整個旅游經濟網絡結構具有脆弱性。

KG進風=2×444.29=888.58 kN

KG回風=2×523.32=1 046.64 kN

N進風≥K·G/A=888.58/550=1.6 根

N回風≥K·G/A=1 046.64/550=1.9 根

由K·G ≤n·A 知道：31006 輔助進風巷平均一排有6 根＞1.6 根；經過計算以后得出最終得到的根數能夠滿足相關要求。

（2）利用“組合梁”懸吊理論對不同錨索之間的距離進行校核。

為了避免巷道頂板巖脫落，可每排設置6 根Φ21.6 mm×8300 mm 鋼絞線，借助于用錨桿加固而成的“組合梁”，將其懸掛在堅硬巖層上，然后再對錨索之間的距離進行核驗。如果不考慮內摩擦力，不考慮巖體粘結力，在垂直方向上達到力平衡以后，對錨索間距的計算可以通過下列公式：

式中：L 代表的是錨索間距，m；B 代表的是巷道冒落寬度的最大值，取值為5.2 m；H 代表巷道冒落高度，結合冒落高度的最嚴重值取3.2 m；γ 代表的是巖體比重，26.7 kN/m3；L1代表的是排距1.1 m；F1代表的是錨桿錨固力190 kN；F2代表的是錨索極限承載力，最終取值550 kN；θ 代表的是巷道頂板與角錨桿垂直；n 代表的是錨索排數，取值為1。

實際所選擇的錨索間距0.9 m/1.0 m 比L 小，設計的錨索參數與相關的設計要求相符。

2.2.2 錨桿支護參數

（1）校核錨桿長度

為了實現支護的目的，可以借助于錨桿對幫體進行加固，需要滿足的條件為L ≥L1+L2+L3。

式中：L 代表的是錨桿長度總值，mm；L1代表的是錨桿外露長度（W 鋼帶+托板+螺母的總厚度，幫錨桿取值等于140 mm）；L2代表的是有效長度（對于幫錨桿而言，煤幫破碎深度等于c）；L3代表的是錨入巖層內深度（幫錨桿取值等于800 mm，錨桿取值等于800 mm）。

式中：B、H 代表的是巷道掘進所對應的高度和跨度，取值H=3200/3500 mm，Bmax=5200/5600 mm；f頂代表的是頂板巖石所對應的普氏系數，f頂的取值等于3；ω幫代表的是兩幫圍巖所對應的內摩擦角，ω 得71.56°。

使用以上公式經過計算以后可以得到：

頂錨桿長L進風頂=70+1 039.5+800=1 907.5 mm；

幫錨桿長L進風幫=140+518.4+800=1 458.4 mm。

根據實際情況可知，幫錨桿長度都等于2400 mm，設計采用的幫錨桿和頂錨桿長度都符合相關要求。

（2）幫錨桿和校核頂之間的排距、間距應當滿足以下要求：

式中：a 代表的是錨桿間、排距，m；G 代表的是錨桿設計錨固力，kN/根；k 代表的是安全系數，通常情況下取值為2；L2代表的是有效長度（頂錨桿取值等于b，幫錨桿的取值等于c）；γ 代表的是巖體容重，取26.7 kN/m3。

頂、幫錨桿間、排距為0.9 m、1.0 m、1.1 m＜a，頂、幫錨桿間、排距都與校核等相關計算要求相符。

2.3 支護方案

頂部采用6 眼5.0 mW 鋼帶，每排鋼帶眼內打6 根Φ22 mm×2400 mm 錨桿，每排鋼帶中間打設3 根Φ21.6 mm×8300 mm 錨索，下一排鋼帶中間打設4 根Φ21.6 mm×8300 mm 錨索，采用3/4 錨索布置，錨索排距為1100 mm，間距為1200 mm，全都垂直頂板巖層打設。采幫和煤柱幫每排布置3根Φ20 mm×2400 mm 錨桿，第一根幫錨桿距頂為400 mm，第三根幫錨桿距底400 mm，排距、間距1100 mm；煤柱幫每排布置2 根Φ17.8 mm×4200 mm 錨索，錨索間距1200 mm，排距1100 mm，第一根幫錨索距頂800 mm，第二根幫錨索距底板1200 mm。在打設的過程中，安裝角度以及布置錨索、鋼帶等的方式參考圖2。

圖2 31006 輔助進風巷斷面支護圖（1:100）

3 支護效果

為了驗證31006 輔助進風巷的支護效果，在巷道100～500 m 范圍分為兩段進行支護試驗，并布置了巷道變形測試儀，對巷道頂底板、兩幫變形情況進行監測，直觀了解巷道支護效果。100～400 m 范圍采用上述巷道支護技術，在400～500 m 范圍內采用傳統的巷道支護方式。通過60 d 的觀測，對測試的數據進行整理分析，得出如圖3 所示的巷道表面變形觀測曲線圖。

圖 3 巷道頂板及巷道兩側變形觀測曲線

根據圖3 中曲線的變化趨勢來看，在31006 輔助進風巷支護的前10 d 內巷道頂底板的變形量為42 mm，巷道兩幫的變形量為73 mm。可以得出巷道頂底板的變形量遠遠小于巷道兩幫的變形量，變形速度較快。隨著工作面的回采，在20 d 內，兩幫的變形量也大于頂板變形量，但是變形的速度變慢。20 d 以后，巷道頂底板和兩幫的變形趨勢較慢，直至穩定。最終的兩幫變形量為120 mm，頂底板的變形量為70 mm，并通過與采用原有傳統支護方式比較發現，兩幫的變形量為146 mm，相較使用新的支護方式后變形量減小18%，而頂板的變形量為87 mm，相較使用新的支護方式后變形量減小17%。比較分析得出，巷道頂板和兩幫均得到了有效控制。