膠帶巷延伸掘進支護方案應用研究

昝文東

(山西汾西宜興煤業有限責任公司,山西 孝義 032303)

1 工程概況

宜興煤業主采2號煤層，煤層平均厚度為1.74 m，煤層屬于近水平煤層，煤層埋深200 m左右，煤層直接頂、基本頂巖性分別為泥巖、粉砂巖，厚度分別為1.05 m和1.75 m，直接底為4.55 m的細粒砂巖。煤層特征情況如表1所示。

表1 煤層特征情況

一采工作面地面西部為原孟南莊煤礦工業廣場，西南部為孟南莊村，東部為龐莊村。一采工作面需要沿原一采區回風巷向南延伸，西部為孟南莊小窯破壞區，東部為一采膠帶巷，北為1205工作面采空區。

延伸一采膠帶巷的水文地質情況如下：本次所掘巷道煤層為二疊系2號下煤層，上距山西組K8砂巖裂隙含水層35 m左右，為巷道掘進的直接充水水源，2號下煤層頂板巖性主要為泥巖、砂質泥巖、砂巖等，屬中等堅硬巖石。一采膠帶巷掘進區域為實體煤，既無本礦采空區，也無小窯破壞區，采空區積水不影響巷道正常掘進。

一采膠帶巷的延伸主要用于東部工作面回采時的回風。一采膠帶巷延伸開口以坐標(X：4 094 732.584；Y：19 558 830.735)180°方位按8°上山開口施工，預計施工85.4 m后見2號下煤層，屆時沿2號下煤頂板掘進106.5 m，(施工過程中若提前遇見2號下煤層，且煤層傾角小于9°時則按2號下煤層頂板施工)，巷道共計施工191.9 m到位。巷道終點坐標為X：4 094 924.484；Y：19 558 830.735。

2 一采膠帶延伸巷錨桿索支護計算

2.1 錨桿支護計算

錨桿直徑的計算主要依據以下公式，其中計算方式主要與錨桿抗拉強度和錨固力有關[1-2]：

式中：d為錨桿的直徑，mm；F為錨桿在圍巖深部的錨固力，頂錨桿為190 kN，幫錨桿為150 kN；t為錨桿的抗拉強度，取670 N/mm2。

首先，計算頂板錨桿，由上式可以得到：

其次計算幫錨桿同樣可以得到D=16.9 mm。

結合現場施工情況及預留安全范圍等因素，一采膠帶延伸巷道頂板的錨桿直徑被確定為22 mm，幫部的錨桿直徑被確定為20 mm。

同時結合此礦初步設計的支護策略，并且通過鉆孔窺視粗略測了圍巖破壞范圍，結果表明圍巖的破壞范圍在0.5～1.3 m內，依據圍巖的破壞范圍和主動支護需要錨固在穩定巖層，頂板和幫部錨桿的長度分別被確定為2.4 m和2.2 m。

結合此礦其他巷道的支護方案，從單位面積支護強度和支護密度來看，頂板錨桿的間距被確定為0.92 m，幫部錨桿的間距被確定0.8 m，頂板錨桿和幫部錨桿的排距均被確定為1 m。

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2.2 錨索支護驗算

錨索的設計長度與巷道頂板巖體性質及巷道斷面規格等有關。可以通過下面公式確定錨索長度：

La=La1+La2+La3

式中：La為錨索長度，m；La1為錨索端部漏出長度，取0.3 m；La2為錨索的實際有效長度，取2.7 m；La3為錨索在深部巖體的錨固長度，取2.4 m。

一般支護理論認為錨索支護不僅要錨固在穩定巖層中，而且要考慮穩定堅硬巖層厚度和巷道高度的關系，當堅硬巖層厚度大于3倍巷道高度時，錨索長度的確定視堅硬巖層的位置確定[3-4]，錨索在深部巖體的錨固長度被確定是2.4 m，錨索的有效長度用以下公式表示：

式中：hi為煤層頂板至穩定巖層的每層厚度，m；i為煤層頂板至穩定巖層層數。

基于錨索需要錨固在深部堅硬穩定的巖層中，結合一采膠帶巷頂板巖性情況，煤層頂板到深部穩定巖層的厚度約2.7 m，所以La2取2.7 m。代入數據可得：

La=La1+La2+La3=0.3+2.7+2.4=5.4 m

因此綜合考慮錨索長度被確定為5.5 m。錨索布置間排距結合巷道服務年限和以前巷道布置方案分別取1.2 m和2 m。

3 一采膠帶延伸巷聯合支護形式及參數

一采膠帶延伸巷道整體采取錨桿、鋼筋網、錨索、鋼帶和噴漿聯合支護如下：

1) 錨桿、錨索支護：頂板采用型號為D22-M24-2 400的高強度螺紋鋼錨桿，配用150 mm×150 mm×10 mm的可調心拱型高強度托盤(配有調心球墊和塑料減摩墊片)，錨桿配套1支MSK2355藥卷和1支MSZ2355藥卷(快速藥卷在上部，中速藥卷在下部)，頂板錨桿間排距為920 mm×1 000 mm。

2) 巷道兩幫采用D20—M22-2 200的高強度螺紋鋼錨桿，配用150 mm×150 mm×10 mm的可調心拱型高強度托盤(配有調心球墊和塑料減摩墊片)，每根錨桿配套使用2支MSZ2355錨固劑。錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。幫部錨桿布置距頂0.2 m，距底0.3 m。每排施工8根幫錨桿。

3) 頂板錨索采用D21.8 mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為5 500 mm；加配300 mm×300 mm×14 mm的拱形高強度錨索托盤進行支護。頂板錨索“三·三型”布置，均每隔2 m布置1排，每排3根，即沿巷中及左右1.2 m各布置1根。每根錨索配套1支MSK2355的藥卷和2支MSZ2355的藥卷(快速藥卷在上部，中速藥卷在下部)。

4) 巷道兩幫錨索采用D17.8 mm×3 500 mm的鋼絞線，加配200 mm×200 mm×10 mm的平鋼托盤進行支護。幫部錨索每排布置2根，左右幫各1根，即第一排錨索布置距頂0.6 m，第二排錨索布置距頂1.5 m，錨索布置在兩排鋼帶中部，以此交叉施工；每根錨索配套2支MSZ2355的藥卷。

5) 巷道全斷面采用鋼筋網片，鋼筋網采用D6 mm盤條加工而成，規格為2 000 mm×1 000 mm。網眼規格為150 mm×150 mm，鋪網時要求聯接好，網與網用16號雙股鉛絲扭接緊固不少于3圈，聯網距不大于200 mm，網片對接。

6) 頂板支護配用D14 mm，L=4 800 mm的圓鋼鋼帶，幫部支護采用長度D14 mm，L=1 800 mm和D14 mm，L=1 000 mm的圓鋼鋼帶搭接一個眼使用。

7) 噴射混凝土強度為C20，噴射厚度為100 mm。

具體支護方案如圖1所示。

4 一采膠帶延伸巷圍巖變形監測

在一采膠帶巷掘進過程中，在掘進工作面后0.4 m處布置監測斷面，在巷道頂板和兩幫布置監測點對圍巖變形量進行監測，監測數據如圖2所示。

圖2 巷道圍巖變形量監測數據

可以看出，隨著巷道的掘進，監測斷面處的圍巖變形量整體趨勢為先增加后不變。變化過程可以分為3個階段，第一個階段是變形速率急劇增加階段，頂板最大變形速率可以達到3.8 mm/d，兩幫變形速率最大2.5 mm/d；第二個階段是變形速率緩慢增加階段，頂板和兩幫的變形速率減小，基本都是0.8 mm/d左右；第三個階段是穩定階段，距開挖面50 m左右時，巷道圍巖變形速率基本為0，巷道達到穩定狀態。

5 結 語

1) 經支護驗算頂錨桿直徑22 mm，幫錨桿直徑20 mm，頂錨桿長度L=2.4 m，幫部錨桿長度L=2.2 m；頂錨桿間距0.92 m，幫錨桿間距0.8 m，頂、幫錨桿排距均為1 m；錨索長度5.5 m；錨索布置間排距分別取1.2 m和2 m。

2) 通過現場巷道圍巖變形監測可以得到一采區膠帶延伸巷能滿足現場安全生產要求。