四臺礦14#煤層堅硬頂板下巷道支護參數設計

張 宏

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037003）

由于煤炭資源賦存條件所限，我國存在著大量井工開采的煤礦，這就需要在地下掘進大量的巷道，因此巷道支護技術成為保證礦井高效開采的關鍵因素之一[1-2]。國內外專家進行了大量研究，主要形成了懸吊理論、組合梁理論、圍巖強度強化理論等眾多理論以及錨桿支護、錨索支護、型鋼支護等支護技術，推動了巷道圍巖控制理論和支護技術的發展[3-5]。

1 概況

四臺礦412 盤區81220 工作面開采煤層呈一背斜構造，中部高東西低，煤層平均厚度1.8 m，平均傾角4.0°。工作面北部為21220 巷，正在開拓；南部為14#層81218 面，已開拓；西部為14#層412盤區巷；東部為南郊區高山煤礦。煤層直接頂為中粗砂巖互層結構，巖層厚度1.01～15.0 m，平均厚度8.0 m；基本頂為砂頁巖互層結構，巖層厚度10.73～12.95 m，平均厚度11.60 m；直接底為細砂巖，巖層厚度4.55～6.05 m，平均厚度5.30 m，局部為中粗砂巖。

51220 巷服務于81220 工作面，用于回風、運料。巷道設計為矩形斷面，寬×高為4.5 m×2.7 m，沿14-2#煤層頂板掘進。當煤層厚度不夠2.7 m 時，沿頂起底掘進；煤層厚度超過2.7 m 時，沿煤層頂板掘進。巷道開口處煤厚為2.0 m 左右，預計掘進至1685 m 處煤厚為1.60 m 左右，到位處煤層為1.80 m。

2 堅硬頂板下巷道支護參數設計

根據51220 巷道頂板直接頂為中粗砂巖互層，平均厚度達8.0 m，基本頂為砂頁巖互層，適合錨桿+鋼帶支護。同時，為了將錨桿加固的“組合梁”懸掛于堅硬巖層中，需用錨索做聯合支護。

2.1 支護參數合理選擇

根據相鄰巷道礦壓觀測數據及支護經驗分析，初步確定51220 巷巷道頂板采用錨桿+W 型金屬鋼帶+錨索聯合支護，巷道兩幫采用錨桿+短鋼帶+菱形金屬網聯合支護。

錨桿使用直徑18 mm、長度1800 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距900 mm×1000 mm，配合鋼帶、拱形托盤；錨索采用直徑17.8 mm、長度4000 mm 的鋼絞線，排間距1200 mm×2000 mm，每排3 根，配套鋼板托盤、專用鎖具、墊圈等。

2.2 支護參數校核

2.2.1 錨桿支護參數校核

（1）錨桿長度校核

錨桿長度采用單體錨桿懸吊理論確定，錨桿長度L 需滿足公式（1）：

式中：l1表示錨桿外露長度，l2表示頂板巖層潛在破壞范圍，l3表示錨桿伸入穩定巖層的長度。其中，l1取0.15 m；l2由巷道寬度和頂板堅固性系數確定，取0.45 m；l3由錨固粘結力和錨桿強度確定，取0.6 m。經計算錨桿長度應不小于1.2 m，設計采用的錨桿長度為1800 mm，滿足校核要求。

（2）錨桿直徑校核

錨桿直徑按照其桿體承載能力與承受的錨固力確定，錨桿直徑D 應滿足公式（2）：

式中：Q 表示錨桿錨固力，根據現場拉拔測試結果，Q 取100 kN；σ 主要指錨桿桿體抗拉強度，桿體材料設計為普通低碳鋼，σ 取550 MPa。計算得到錨桿直徑不低于15.2 mm，設計采用的錨桿直徑為18 mm，滿足校核要求。

（3）錨桿間排距確定

錨桿間排距采用懸吊理論計算校核。假設采用設計的錨桿將不穩定的軟弱頂板巖層懸吊至穩定堅硬的頂板巖層，按懸吊理論計算，其間排距n 應滿足公式（3）：

式中：n 表示錨桿間排距；Q 表示錨桿錨固力，根據現場拉拔測試結果，Q 取100 kN；γ 表示不穩定的軟弱頂板巖層容重，2050 kg/m3；k 表示安全系數，取2.0；h 表示巷道頂板巖層破壞深度，取1300 mm。經計算錨桿間排距n 應小于1370 mm，設計采用的錨桿間排距為900 mm×1000 mm，滿足校核要求。

綜上所述，采用直徑18 mm、長度1800 mm左旋螺紋鋼錨桿，排間距900 mm×1000 mm，配套W 型鋼帶等相關支護組件，可以滿足14#煤層51220 巷巷道圍巖支護的要求。

2.2.2 錨索支護參數校核

（1）錨索長度校核

為加強錨桿錨固區域控制范圍和圍巖強度，降低頂板巖層冒落的可能性，采用預應力錨索進行加強支護。基于懸吊理論確定錨索長度，錨索長度L需滿足公式（4）：

（2）錨索數量校核

一定數量的錨索聯合支護可有效的將不穩定軟弱頂板巖層懸吊至穩定頂板巖層，每排錨索的數量S 應滿足公式（5）：

式中：K 表示安全系數，取2.0。W 表示所需懸吊的不穩定軟弱頂板巖層重量，由巷道寬度a、懸吊軟弱巖層厚度h 和容重γ 以及錨索間排距d 確定，W=ahγd。其中a 取4500 mm，h 取2300 mm，γ 取2050 kg/m3，d 取2000 mm。經計算可得W=424.35 kN。P 表示錨索的破斷載荷，直徑17.8 mm 的錨索的破斷載荷為345 kN。經計算，每排錨索的數量S 應不小于2.46。設計采用的錨索排間距為1200 mm×2000 mm，每排3 根，滿足校核要求。

綜上所述，采用直徑17.8 mm、長度4000 mm的錨索，排間距1200 mm×2000 mm，每排3 根，配套鋼板托盤、專用鎖具、墊圈等，可以滿足14#煤層51220 巷巷道圍巖支護的要求。

3 巷道圍巖控制效果分析

基于堅硬頂板下巷道支護參數設計與校核，最終確定了51220 巷支護參數，如圖1。將設計的參數應用于試驗巷道，同時監測巷道掘進時期圍巖表面的變形情況，圖2 給出了巷道變形曲線圖，巷道整體變形量較小，巷道掘進60 d 后，圍巖變形趨于穩定，巷道頂底板最大移近量約52 mm，圍巖移近速度小于1 mm/d，巷道兩幫最大移近量約77 mm，圍巖移近速度小于1.5 mm/d。綜上，設計的51220巷支護參數合理，有效控制了圍巖變形，實現了堅硬頂板下巷道圍巖的穩定控制。

圖1 巷道支護斷面圖

圖2 巷道變形曲線圖

4 結論

錨桿支護具有控制效果好、成本低、施工簡單等優點，廣泛應用于煤礦巷道支護。本文以四臺礦14#煤層堅硬頂板為背景，設計了堅硬頂板下巷道支護技術和參數，采用懸吊理論、強度校核等方法校核了錨桿長度、直徑、間排距以及錨索長度、數量的合理性。現場應用后，采用確定的支護技術和參數有效控制了14#煤層51220 巷圍巖變形，頂底板圍巖移近速度小于1 mm/d，兩幫圍巖移近速度小于1.5 mm/d，實現了堅硬頂板下巷道圍巖的穩定控制。