半煤巖巷道聯合支護方案與應用

安俊理

（山西晉能控股煤業集團寺河礦，山西 晉城 048204）

引言

回風大巷是采區各工作面重要的通風和輔助運輸通道，為采區工作面開采、設備運輸提供了安全空間[1-3]。基于其服務年限相對長，為保障各工作面安全開采，巷道需要保持長期穩定，因此需要確定合理的支護方案。本文根據寺河礦南區回風大巷地質條件，通過理論分析,結合以往的實踐經驗確定了合理的支護方案，并用于工程實踐。

表1 煤層頂底板巖層特征

1 寺河礦工程概況

南區集中回風巷主要服務于整個南區的行人、排水以及通風和管線的敷設，巷道設計為直墻半圓拱，毛寬5 500 mm，毛高4 750 mm，凈寬5 200 mm，凈高4 500 mm，直墻毛高2 000 mm。回風巷沿10號煤層及煤層頂板掘進，煤層頂底板特征如表1所示。

2 支護思路

回風大巷矩形斷面部分沿10號煤層頂板掘進，頂板賦存不穩定，因此將不穩定泥巖進行懸吊在上覆穩定巖層中，以增加軟弱巖層的穩定性；拱形斷面部分沿10號煤層頂板掘進，基于巷道掘進過程中需要穿越不同巖性的巖層，局部存在復合頂板，煤層及頂板巖層穩定性有差異，因此需要通過錨桿及錨索進行聯合支護。此外回風大巷主要為整個采區服務，服務年限較長，需要長期保持穩定狀態，因此在錨桿支護后期應對巷道進行噴漿支護，進一步改善巷道圍巖的應力狀態。綜合分析初步確定使用錨桿(索）+噴漿支護的聯合支護方案。

3 錨桿及錨索的參數計算與選型

3.1 錨桿

3.1.1 直徑

錨桿長度按式（1）計算[4-5]：

式中：L桿為錨桿長度，m；L桿1為錨桿外露長度，取0.1 m；L桿2為錨桿的有效長度；L桿3為錨固體有效錨固長度，取0.5 m。

錨桿有效長度按下式表示：

式中：m為加固拱厚度，取1.0 m；α為錨桿的控制角，根據巖石特性，取45°；a桿1為錨桿的間距，與排距a桿2近似相等，取平均值0.86 m；代入數據計算得L桿2=1.53 m。

代入各參數，得L桿=2.13 m。

根據上述分析，結合支護實踐，對錨桿進行選型，確定頂錨桿直徑為20 mm，幫錨桿直徑為18 mm。

3.1.2 錨固力

巷道直墻區域錨桿錨固力Q桿直按下式計算：

式中：K1為安全系數，取2；γ為易冒落巖石平均重力密度，25 kN/m3。

經計算得：Q桿直=58.58 kN

直墻區域上方拱形區域錨桿錨固力Q桿拱為：

式中：d桿為錨桿直徑，0.018 m；σs為錨桿材料的屈服強度，335 MPa。

經計算，得Q桿≥85.2 kN。

3.2 錨索

3.2.1 長度

錨索長度L索按下式計算：

式中：L索1為錨索外露長度，取0.3 m；L索2為有效長度，取2.5 m；L索3為錨固長度，根據實踐經驗，取3.3 m；

代入各參數計算得L索=6.1 m。

根據以上公式計算得出錨索長度應不得小于6.1 m，考慮1.15的安全系數，應將錨索長度加長至7 m，可以滿足支護強度要求。

3.2.2 間排距

根據錨桿布置方案，結合以往的支護實踐，確定錨索間距為3.0m，錨索排距a索2按下式計算：

式中：N索為錨索承載力，取405 kN；h為加固拱巖層厚度，取1.0 m；γ為加固拱巖層的平均重力密度，25 kN/m3。

計算得，a索2=2.7 m。

3.2.3 錨固力

錨索的錨固力Q索應根據其承載力確定，滿足如下關系[6]：

式中：N索為錨索承載力，對于高強度鋼絞線，N索=405 kN。

即Q索≥405 kN

4 支護方案

巷道支護斷面如圖1所示。

根據上述錨桿及錨索選型與校核結果，結合以往的實踐經驗，確定巷道支護方案如下：

巷道拱部區域使用Φ20 mm×2 500 mm型左旋螺紋鋼錨桿支護，每排布置9根錨桿，間距為910 mm，排距為900 mm；頂部錨索采用Φ18.9 mm×7 000 mm型高強度鋼絞線，每排布置2根，間距為3 000 mm，排距為2 700 mm。

直墻兩幫采用Φ18 mm×2 000 mm型左旋螺紋鋼錨桿，間距為910 mm，排距為900 mm。

永久支護后對巷道圍巖進行進一步噴漿支護，噴漿厚度為150 mm，漿體強度不低于C15。

5 應用效果

南區回風大巷掘進期間采用隨掘隨錨的及時支護方式，掘進兩排后及時打設錨桿及錨索，并在工作面后噴漿支護，并對底板進行混凝土硬化，混凝土強度等級為C30，鋪設厚度為250 mm。

圖1 巷道支護斷面（單位：mm）

由圖2可知，在巷道掘進60 d時間內巷道變形量較大，之后逐漸進入穩定狀態，巷道穩定后兩幫最大變形量約為56 mm，頂板最大變形量約為41 mm，底板最大變形量約為31 mm。巷道整體變形量較小，表明所確定的支護方案合理，巷道圍巖變形得到了有效控制，可以滿足安全生產要求。

圖2 巷道變形曲線