長平公司Ⅲ5308巷道支護參數優化設計研究

張菁玨，張 瑋

（晉能控股煤業集團長平公司，山西 晉城 048006）

引言

近些年，隨著大型化設備被眾多煤礦使用，煤礦生產效率也得到了大幅提高，但是隨之也出現了巷道斷面面積也在日益擴大，因此大斷面巷道應運而生[1]。在煤礦巷道工作面的生產中，為例實現降低巷道支護成本、確保巷道支護強度，安全生產，從而達到快速掘進的目的；研究人員提出，煤礦巷道支護的基本目的是在各類巖體中形成長期穩定的地下結構[2]。大多數煤礦巷道[3-8]在深入掘進的過程中，技術人員發現工作面所處的應力環境和圍巖條件更為復雜，因此煤巷的支護問題越來越突出。

長平公司Ⅲ5308雙巷掘進工作面，東西南北各部均為村莊，地面標高為+1 040~+1 195 m之間，巷道標高為+412~+483 m，蓋山厚度為+580~+744 m，在巷道的掘進區域中，目前勘測無水體和建構筑物，對本巷道掘進無影響。

1 工程地質條件概況

Ⅲ5308巷布置在3號煤層中，沿煤層頂板掘進。北部為4326工作面（正在布置），東部為4322綜采工作面（正在回采），西部為Ⅲ5309綜采工作面（尚未布置），南部為五盤區大巷（正在掘進）。下部為Ⅲ5308底抽1巷（已掘），該巷與3號煤層間距為10-11m，對本巷道在掘進期間起掩護作用，其他相鄰巷道對本巷道掘進期間無影響。Ⅲ5308巷雙巷整體上山掘進，掘進坡度平均為3°。根據三維地震資料分析，53081巷、53082巷可能受SF331、SF330正斷層，SX6、SX7、SX8陷落柱影響，正制定專項過構造措施。

Ⅲ53081巷巷道設計長度為1404.960 m；Ⅲ53082巷道設計長度為1834.825 m；通風聯絡橫川、皮帶檢修橫川均垂直Ⅲ53081巷和53082巷，設計長度為60.000 m，13號橫川與12號橫川間距為100.000 m，13號橫川與皮帶檢修橫川間距為314.400 m，其余相鄰橫川間距為80.000 m。

經勘測得到煤層最小厚度5.32 m，最大厚度6.04 m，平均厚度5.92 m；普氏硬度為2.7~3.2；煤層傾角最大傾角為7°，最小傾角為1°，平均傾角為3°；煤層為黑色塊狀及條帶狀結構，主要以亮煤為主，暗煤次之，其中含鏡煤，金屬光澤，光亮型煤，煤種為無煙煤。Ⅲ5308巷工作面布置如圖1所示，巷道設計斷面1-1和2-2特征參數如下頁表1所示，煤層頂底板特征見下頁表2。

表1 巷道1-1、2-2斷面技術特征表

表2 巷道工作面頂底板特征表

圖1 Ⅲ5308巷工作面布置

2 巷道支護設計原理

考慮到掘進過程中設備尺寸，通風要求和巷道圍巖變形預留量以及巷道的用途，巷道掘進期間設計斷面尺寸為：矩形斷面，掘進寬度5.8m，高度4.3 m，掘進斷面積為24.94 m2。巷道沿3號煤層頂板掘進。

根據工程實際需要，技術人員利用工程類比法及現場經驗，故選擇錨桿支護系統支護頂板，根據巷道支護設計原理和支護理念，Ⅲ5308巷道錨桿支護設計采用自然平衡拱原理[7]作為數學模型；結合巷道在初期開拓時，勘探的煤層和圍巖層間的力學性質來確定巷道支護的錨桿參數。根據自然平衡拱理論，煤礦巷道開掘后，收到重力作用，煤層中圍巖層與層間的相互支撐受力關系被破壞，因此巷道圍巖就向自由空間移動后從而形成自然平衡拱，以此來維持巷道采掘過程中的穩定性，如圖2所示。

圖2 普氏圍巖理論力學模型

研究人員在進一步的研究中，在應用自然平衡拱理論的基礎上，作了如下兩點的假設：

1）圍巖體受到節理的切割，在開挖后形成松散狀巖體，但仍具有粘結力；

2）硐室在開挖后，硐頂巖體將形成自然平衡拱。在其側壁處，沿角度為45°-φ/2的方向形成左右兩個滑動面，其計算模型如圖2所示。因此硐頂的圍巖壓力僅包含拱內的巖體自重。

3 巷道Ⅲ5308支護參數設計及校核

錨桿的長度為錨桿的外露長度l1，錨桿有效長度l2，錨桿深入老頂長度l3三者之和：

式中：l1取0.1m；l2可由普氏理論和自然平衡拱理論計算；l3根據經驗公式取值0.3~0.4 m。因此，由式（1）計算可得頂板錨桿長度取值應不小于2.284 m，考慮到巷道的支護安全性，借鑒支護經驗合理取值為2.4 m。

在兩個假設條件下，可以由圖2分析計算出煤幫破壞深度C：

式中：巷道高度h取4.2 m；近似摩擦角φ根據式φ=tan-1f計算，其中煤的普氏硬度系數f的取值0.9。由式（2）計算得煤幫破碎深度C=1.915 m。

由普氏理論和自然平衡拱理論可以將自然平衡拱高度b表示為：

式中：巷道寬度a值為5m；頂板巖體的普氏硬度系數f0為4。因此根據式（3）計算得到自然平衡拱的高度b=1.57 m。

下面根據錨固力與錨桿承載力等強的原則，查閱《采礦工程設計手冊》等相關技術資料得到錨桿直徑計算公式為：

式中：d為錨桿直徑，m；Q為錨桿錨固力，根據經驗取190 kN；σt為錨桿抗拉強度，根據經驗采用螺紋鋼錨桿，取670 MPa。因此根據式（4）計算可得d=0.019 m，即錨桿直徑取值應不小于19 mm，故Ⅲ5308巷工作面頂錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼筋，型號為MSGLW-500/22×2 400，可以滿足工作面的支護要求。

錨索設計長度L為錨索深入到較穩定巖層的錨固長度La、自然平衡拱的高度Lb、托盤及錨具的厚度Lc及外露升拉長度Ld的總和，即：

式中：Lb=2.31 m；Lc=0.1 m；Ld=0.2 m；La由式（6）計算得到。

式中：K為安全系數，查閱《采礦工程設計手冊》取值為2；d1為錨索直徑，取21.8 mm；fa為錨索抗拉強度，取1 720 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的黏結強度，其值可查閱《采礦工程設計手冊》取10 N/mm2，因此由式（5）、式（6）計算得到錨索長度應不小于4.485 m，根據安全設計經驗，應用中需適當加長Ⅲ5308巷錨索長度。

頂板懸頂面積計算公式為：

式中：A為懸頂面積，γ為被懸吊巖石容重，取30 kN/m3；L2為冒落拱高度，取1.57 m。

故錨桿間排距可由以下公式計算得到：

故由式（7）、式（8）得，錨桿間距不應大于1.26 m，錨桿排距不應大于1.26 m。通過以上計算推出：Ⅲ5308巷工作面選擇的斷面滿足巷道支護設計要求。根據計算結果并結合經驗獲得了Ⅲ5308巷的有效支護方式。

3.1 支護方式

巷道采用高強度錨桿+錨索+金屬網+W鋼護板護頂、護幫進行支護。

3.2 支護材料

錨桿規格：型號MSGLW-500/22×2400，延伸率≥18%，桿體為直徑Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，500號鋼材，長度2.4 m。

錨桿托盤規格：型號150×150×10 mm，高強度拱形托板，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M24。

W型鋼護板：型號W280×400/4，長度400 mm，寬度280 mm，厚度4 mm，四邊壓棱。

頂錨索規格：型號SKP22-1/1720×7 300，低松弛預應力鋼絞線1×19股，直徑Φ22 mm，長度7.3 m，尾部采用配套的高強度鎖具。

幫錨索規格：型號SKP22-1/1720×5 300，延伸率≥7%，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，直徑Φ22 mm，長度5.3 m，尾部采用高強度鎖具。

錨索托盤規格：型號300×300×16 mm，高強度拱形可調心蝶形大托板。

Ⅲ5308巷頂網規格：型號JW10/35×35-1.2，采用10號鐵絲編織的金屬經緯網護頂，網格為35×35 mm。

3.3 支護參數

頂板支護采用高強度錨桿+錨索+金屬網+W型鋼護板混合支護。錨桿布置參數為：每排6根，錨桿排距為1 000 mm，間距為1 050 mm，兩端錨桿距巷幫275 mm。錨桿角度參數為：垂直巷道頂板，靠近兩幫的兩根頂錨桿可以分別向外傾斜10°。錨固方式采用樹脂加長錨固，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30 mm，孔深為2290-2310 mm之間，錨固長度1 208 mm。錨桿設計預緊力矩為400 N·m，錨固力為190 kN。錨索布置為：錨索為“3-3”布置，錨索排距1000 mm，錨索間距為2 000 mm，距巷幫為900 mm，錨索均垂直頂板施工；利用8號（10號）鐵絲纏繞鎖具下部的錨索不少于3圈，且兩端與頂網連接起防墜作用。錨固方式采用樹脂加長錨固，采用三支樹脂錨固劑，先放一支MSK2335型錨固劑，再放兩支MSZ2360型錨固劑，鉆孔直徑30 mm，孔深為6 950-7 050 mm之間，錨固長度為1971mm。錨索設計預緊力為350 kN。滯后抽查時（即預緊力損失后）預緊力不小于300 kN。

因此根據設計參數，Ⅲ5308巷道頂煤工作面兩巷及端頭支護示意圖，如圖3所示。

圖3 Ⅲ5308巷道頂煤兩巷及端頭支護示意圖

4 結論

長平公司Ⅲ5308雙巷工作面均布置在3#煤層中，沿煤層頂板掘進，整體上山掘進，煤層平均地層傾角為3°，頂板和底板均含有砂質泥巖且煤層中有一層厚度為0.35 m夾矸，夾矸為泥巖使得煤層結構復雜，但是煤層最小厚度5.32 m，最大厚度6.04 m，平均厚度5.92 m，厚度變化較小，為較為穩定煤層。本文根據普氏理論和自然平衡拱理論，結合煤層低質情況，對支護參數設計進行校核計算，得到了巷道的有效支護方式和具體支護參數，繪制了工作面兩巷及端頭支護示意圖，從而指導工作面的支護作業。校核結果表明，巷道頂錨桿、巷幫錨等支護參數滿足工作面生產需求，為巷道工作面掘進提供了可靠性和良好的應用效果。