礦井淺埋煤層煤巷支護優 化設計研究與應用

方銘 麻青波 馬旭坤

摘要：煤炭作為我國主要的能源之一，有著很大的價值，但同時開采時也存在著很大的安全風險。本文通過分析煤炭開采過程中常見的關于淺埋煤層巷道支護優化設計，并且簡要闡述淺埋煤層巷道圍巖變形測量方法，提出了一些可以優化巷道支護的關鍵因素，希望可以降低煤礦開采過程中的危險因素，促進煤炭產業發展。

關鍵詞：淺埋煤層;巷道圍巖;支護;優化設計;礦壓監測

引言

巷道安全是煤礦實現高產高效生產必不可少的關鍵因素之一。巷道支護是否安全科學取決于多個因素。其中淺埋煤層礦區的地質條件、合理的設計礦壓監測等，隨著技術的進步圍巖工程控制理論取得了長足的發展，支護理念由被動轉為主動，巷道的支護逐漸由傳統的棚式支護、低預應力低強度錨桿支護向高預應力高強度錨桿錨索支護轉化。要實現淺埋煤層的有效開發與利用，首先應完成淺埋煤層巷道支護的優化設計，無疑具有一定的理論意義和較大的實用價值。

1 錨桿支護設計方法

錨桿支護設計采用國內廣泛認可動態信息設計法。設計步驟包括：試驗點調查和地質力學評估→初始設計→現場監測和信息反饋→修正設計和日常監測。

2 試驗點生產與地質條件調研

2.1 巷道位置

某煤礦502盤區東西長約5.0km，南北寬約2.8km，面積14.3km2，5-2煤層502盤區輔運大巷與工作面之間的保護煤柱寬度為100m，采面回采期間不受采動壓影響，502盤區輔運大巷布置如圖1所示。

2.2 煤巖體賦存狀況

5-2煤層厚度2.04～3.15m，平均厚度2.6m，5-2煤層偽頂為炭質泥巖，厚0.10m。老頂厚度40m以上為粉、細砂巖中厚層狀，比較穩;直接頂厚度0.84—14.28m粉砂巖、中粗砂巖中等穩定，零星分布有泥巖，煤層結構簡單，煤層呈條帶狀結構，瀝青光澤，節理不發育，502盤區煤層綜合柱狀圖如圖2所示。

2.3 巷道圍巖粘結強度測試

巷道圍巖粘結強度測試。錨桿拉拔力試驗的目的是判定巷道圍巖的可錨性，評價錨桿、樹脂、圍巖錨固系統的性能和錨桿的錨固力。錨桿拉拔試驗采用巷道正常施工時使用的支護材料進行，其目的是判斷原支護中錨桿、錨固劑、孔徑三者之間的相互匹配情況，為后期進行科學、合理的巷道支護設計提供基礎數據。

從已掘501盤區輔運大巷頂板和巷幫支護再進行一次錨桿、錨索粘結強度測試。

3 原支護設計參數與類似條件礦壓顯現狀況

設計單位出具的本礦502盤區輔運大巷，矩形斷面，寬6.24m，高2.97m，采用錨網噴支護方式，錨桿直徑20mm，長度為2450mm，間排距為800×800mm，噴射混凝土強度等級C20，厚度120mm。

本礦501盤區輔運大巷已掘進完成并服務多年，采用錨網支護，掘進斷面為矩形，掘寬5.4m，掘高3.2m，掘進斷面17.28m2。巷道具體支護參數為：

3.1 頂板支護

采用錨桿直徑18mm，長度2000mm，采用120 ×120 ×8mm拱型高強度托板，采用6.5-100 mm×100mm/5200 mm×1300mm金屬焊接網，采用1支Z2360和1只K2335樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排5根。

3.2 巷幫支護

采用錨桿直徑18mm，長度2000mm，采用120 ×120 ×8mm拱型高強度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網，采用1支K2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1300mm×1200mm，每排3根。詳見501盤區輔運巷斷面支護見圖3。

3.3 原支護巷道礦壓顯現狀況

對類似巷道501盤區輔運巷進行了巷道礦壓顯現現狀調研，掘進完成后無明顯變形，圍巖完整性很好。根據礦方礦壓監測資料顯示，頂板和兩幫變形量均控制在100mm以內，無明顯頂板離層現象，巷道穩定性程度良好，原支護參數完全可以滿足巷道安全使用要求。

502盤區輔運大巷圍巖地質條件與501盤區輔運大巷基本相似，但斷面增大，因此支護設計可在501盤區大巷支護參數基礎上進行適當加強。

4 設計原則

針對本礦具體地質條件，充分發揮錨桿支護的成效，制定出502盤區輔運大巷設計6項原則：一次支護原則、高預應力和預應力擴散原則、三高一低”原則（提高錨桿強度、剛度，降低支護密度，提高掘進速度）、臨界支護強度與剛度原則、力學性能匹配原則、可操作性原則。

5 支護參數理論計算

本支護設計方法的理論基礎是圍巖的關鍵承載圈理論和錨桿支護的擴容-穩定理論。關鍵圈是指巷道圍巖一定范圍內能承受較大切向應力的巖石圈。只要承載圈保持穩定，則承載圈之外的巖層無需支護。支護的主要對象是關鍵承載圈以內的巖層，把這部分巖層的高度作為載荷高度進行設計。

5.1 巷道圍巖載荷高度計算

①頂板載荷高度

根據關鍵承載圏理論給出頂板載荷高度的計算公式為

5.3 錨桿支護參數計算

①錨桿長度

頂錨桿長度由下式確定：lbr=B+Δ

式中，lbr：頂板錨桿長度，m;

△：錨桿外露長度與深入到關鍵承載圏外巖層長度之和，取0.5m。

②錨桿直徑

類似巷道501盤區輔運大巷采用的18#螺紋鋼桿體，可以滿足支護要求，本設計錨桿采用20#螺紋鋼桿體。

③錨桿排距

錨桿排距由下式確定：

式中，Pr：錨桿屈服力;

K：安全系數，取值為2.5;

a：懸臂巖層半跨距。

④每排錨桿數

頂錨桿每排數量：

根據計算出的每排錨桿數，反算錨桿排距：

5.4 502盤區輔運大巷支護參數計算

502盤區輔運大巷原始參數如下：

ks：根據表1中形狀及掘進方式得ks=2.3;kt：巷道服務年限大于10年，穩定煤層：kt =0.85;地應力：σH =10.03MPa，σv=4.66MPa;頂板巖層強度：直接頂強度平均為37.39MPa;巷道斷面幾何尺寸：寬l=6.24m，高h=2.97m;分層、節理情況：結合地質力學測試中鉆孔窺視結果，巷道頂板較為完整，屬節理裂隙不發育，因此節理間距Dj取1.5m，分層厚度Dl取1.5m;煤層強度：σcc為煤幫強度平均值24.83MPa。煤層傾角：1°;煤層穩定性系數：巷道掘進后煤體完整，無片幫冒頂現象，因此屬穩定煤層，煤層穩定性系數kyc取0.85;煤層泊松比：根據表3，泊松比μ取0.4;其他參數為：c=2.1MPa，φ=29.1°，φc=26.8°，ky=0.82;將上述參數代入，計算出頂板載荷高度和煤幫破壞深度為：頂板載荷高度為 B=0.93m;煤幫破壞深度：D=-3.46m，值為負數，幫部基本不受破壞;頂板載荷計算結果為：Q=145.78kN/m ?Qb=214.87kN/m;頂錨桿長度計算，得：lbr應不小于1.43m;錨桿排距計算，得：Dr=1.17m;頂板每排錨桿數計算，得：N1=5.82根，取整數N=6根;反算錨桿排距，得Dr1=1.21m。

根據以上理論計算結果，從控制頂板關鍵圏載荷的角度來看，502盤區輔運大巷頂板錨桿長度不小于1.43m，錨桿數量為6根，合理排距不大于1.21m。

502盤區輔運大巷跨度超過6m，為提高頂板安全性，需要進行錨索補強。另外噴漿支護設計按照原設計保持執行。

6 502盤區輔運大巷支護初始設計

6.1 設計依據

1）已掘501盤區輔運巷支護狀況和礦壓顯現情況調查結果;

2）502盤區輔運大巷地質資料及所在區域鉆孔資料;

3）現有科技成果和工程實踐經驗。

根據以上設計原則和設計依據，考慮采用樹脂加長錨固錨桿組合支護系統，并進行錨索補強，依據煤層自然易燃，噴射混凝土強度等級C20，厚度120mm。

6.2 初始支護方案

6.2.1頂板支護

采用錨桿直徑20mm，長度2000mm，采用150 ×150 ×8mm拱型高強度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網，采用1支MSK2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排6根。采用直徑21.8mm，119股預應力鋼絞線，長度6300mm，采用兩支MSK2360樹脂藥卷錨固，采用300×300×16mm高強度拱形托板及配套鎖具，錨索每排1根布置，居中布置，排距2400mm。

6.2.2 巷幫支護

采用錨桿直徑18mm，長度1600mm，采用150 ×150 ×8mm拱型高強度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網，采用1支MSK2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排3根。詳見502盤區輔運巷斷面支護見圖4。

7 礦壓監測

本次礦壓監測分為綜合監測和日常監測。前者驗證初始設計，后者主要是為了保證巷道安全。

7.1 綜合監測

7.1.1 巷道表面位移

巷道設置2個圍巖礦壓分析測站，包括2個表面位移監測斷面，1個頂板離層監測斷面和1個錨桿受力監測斷面。觀測頻次為：距工作面50m內每天觀測1次，以外每周觀測1次，如果位移量有明顯增長，可增加觀測次數。

7.1.2 頂板離層

選用頂板離層儀測試頂板巖層錨固范圍內外位移值，觀測頻次與表面位移相同。

7.1.3 錨桿受力

采用錨桿測力計監測錨桿受力，錨桿測力計安設在錨桿端部，每個測站在頂板布置2個、兩幫各布置1個錨桿測力計，根據電阻應變原理來測量錨桿在不同時期的受力情況，分析儀測得應變片變化量的大小，計算錨桿端部受力狀態。

7.2 日常監測

日常監測包括二部分內容，錨桿錨固力抽檢和錨桿預緊力矩檢測。

7.2.1錨桿錨固力抽檢

巷道掘進施工過程中，按≥10%的比例和≤2天的時間間隔對錨桿錨固力進行抽測。抽測時只做非破壞性拉拔，頂、幫錨桿拉拔力不超過100kN和80kN，測試錨固劑的粘結強度，檢測錨桿錨固力是否達到設計要求。

7.2.2 錨桿預緊力矩檢測

巷道掘進施工過程中按不小于30%的比例和不大于2天的時間間隔用力矩示值扳手對錨桿螺母預緊力矩進行抽測，錨桿扭矩應達到150N.m。

8 結語

淺埋煤層礦井煤巷支護優化設計，需依據巷道圍巖變形、地質條件、生產條件、支護狀況和礦壓顯現情況調查結果，根據巷道支護效果，可在施工過程中對上述方案進行調整，可以安全有效開發利用能源，做到安全合理的對淺埋煤層進行開采，以此方法有效地提高我國的煤炭產量。

參考文獻：

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