劉利斌

（西山煤電集團(tuán)馬蘭礦， 山西 古交 030205）

引言

在煤炭開采時(shí)，受到礦山壓力和工作面推進(jìn)影響，許多工作面巷道圍巖完整性受到破壞，變形較為嚴(yán)重，需針對(duì)具體的工作面地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行巷道支護(hù)技術(shù)研究[1-3]。本文針對(duì)馬蘭礦28312 工作面皮帶巷頂?shù)装寰唧w地質(zhì)條件進(jìn)行支護(hù)技術(shù)研究。

1 工程概況

馬蘭礦隸屬于山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司，28312 工作面位于北三下組煤采區(qū)8 號(hào)煤左翼，皮帶巷南東側(cè)最小間距7.0 m 為下銜接水平采區(qū)邊界。工作面皮帶巷里程73～173 m，上部間隔77～82 m為22312 采空區(qū)，其中有積水15.2 萬m3，其他位置暫無工程。工作面呈單斜構(gòu)造，傾角4°～13°，平均8°。

工作面所采煤層為石炭系太原組8 號(hào)煤層，屬近水平穩(wěn)定可采厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，8 號(hào)煤厚3.80～4.50 m，平均4.10 m，本區(qū)煤層松散破碎，煤層普氏硬度1.7。28312 工作面頂?shù)装鍘r性如表1所示。

2 巷道布置

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

28312 皮帶巷開口位于北三下組煤回風(fēng)下山，工作面標(biāo)高716～763 m，工程量350 m，工作面呈單斜構(gòu)造，煤巖層傾角為4°～13°，平均8°。根據(jù)相鄰工作面巷道掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及本工作面巷道的使用功能，確定巷道采用矩形斷面，沿太原組8 號(hào)煤層跟頂施工。皮帶巷凈寬4.5 m，凈高3.5 m，凈斷面15.75 m2。

3 錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 巷道破壞范圍及載荷的計(jì)算

3.1.1 巷道兩幫破壞深度C的計(jì)算

式中：σcc為所采煤層單向抗壓強(qiáng)度，取13 MPa；H為巷道所處埋深，取527 m；l為巷道切割煤層的寬度，取4.5 m；hc為巷道切割煤層的厚度，取3.5 m；μ 為煤層波松比，取0.45；γ 為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3；α 為煤層傾角，取8°；φ 為煤層內(nèi)摩擦角，取52.43°；Kσ為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.125.

將以上數(shù)據(jù)代入公式，可得巷道兩幫破壞深度C=0.769 m。

3.1.2 巷道頂板破壞高度b的計(jì)算

式中：λ 為巷道側(cè)壓系數(shù)，取0.818；a為懸臂巖層半跨距，根據(jù)相鄰工作面實(shí)測(cè)取2.25 m；σcr為巷道頂板抗拉強(qiáng)度，取60 MPa；Ky為頂板巖層完整系數(shù)，取0.681。

將以上數(shù)據(jù)代入公式，可得巷道頂板破壞高度為0.697 m。

3.1.3 頂板載荷Qr的計(jì)算

式中：Ka為受臨近工作面采空區(qū)影響的系數(shù)，取0.924。代入數(shù)值計(jì)算得Qr=88.804 kN/m。

3.1.4 巷幫載荷Qs的計(jì)算

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Qs=21.868 kN/m。

3.2 巷道頂板錨桿的計(jì)算

3.2.1 頂板錨桿直徑d1計(jì)算

根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則確定。

式中：σt為桿體材料抗拉強(qiáng)度，取340 MPa；Q為錨固力，取105 kN。

代入計(jì)算公式可得d1=19.739 mm，頂錨桿直徑取20 mm。

3.2.2 頂板錨桿長(zhǎng)度Lbr的計(jì)算

式中：Δ 為錨固段長(zhǎng)度與錨桿外露長(zhǎng)度之和，根據(jù)相似工作面工程經(jīng)驗(yàn)，錨固段長(zhǎng)度取0.812 m，錨桿外露長(zhǎng)度取0.05 m。

代入計(jì)算公式可得Lbr=1.559 m，根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，頂錨桿長(zhǎng)度取2.0 m。

3.2.3 頂板錨桿排距Dr的計(jì)算

式中：Pr為錨桿拉拔力，取105 kN；K1為安全系數(shù)，取2。

代入可得Dr=1.58 m，取1.2 m。

3.2.4 頂板每排錨桿個(gè)數(shù)N的計(jì)算

式中：K2為安全系數(shù)，取3。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得N=3.04 根，取4 根。

3.2.5 頂板錨桿的計(jì)算結(jié)果

綜上，可得巷道頂板錨桿采用直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2 m 的螺紋鋼錨桿，間排距為1 300 mm×1 200 mm，采用一個(gè)MSCKb2360 型和一個(gè)MSK2380 型樹脂錨固劑錨固。

3.3 巷道幫錨桿的計(jì)算

3.3.1 幫錨桿長(zhǎng)度Lbs的計(jì)算

根據(jù)前文所述各參數(shù)取值，可以計(jì)算得到長(zhǎng)度Lbs=1.631 m，取2.0 m。

3.3.2 幫錨桿直徑d2的計(jì)算

根據(jù)前文所述各參數(shù)取值，可以計(jì)算得到d2=198.739 m，取20 mm。

3.3.3 幫錨桿排距Ds的計(jì)算

式中：Ps為錨桿拉拔力，取105 kN；K3為安全系數(shù)，取5。

計(jì)算可得Ds=2.5 m，取1.2 m。

3.3.4 巷道幫部每排錨桿根數(shù)Ns的計(jì)算

式中：K4為安全系數(shù)，取5。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Ns=1.25 根，考慮巷道受工作面采動(dòng)影響，巷道幫部每排錨桿取3 根。

3.3.5 巷道幫錨桿計(jì)算結(jié)果

綜上，可得巷道幫部錨桿采用直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 m 的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 200 mm，巷道兩幫支護(hù)形式確定為錨桿、金屬菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。矩型布置，最上排錨桿距頂板400 mm。

4 錨索補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算

由于馬蘭礦28312 皮帶巷跨度較大，且受到工作面回采時(shí)容易造成巷道破壞范圍增大，導(dǎo)致支護(hù)失效。因此，設(shè)計(jì)對(duì)巷道頂板采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4.1 錨索排距Lb 的計(jì)算

式中：T為錨索標(biāo)準(zhǔn)破壞載荷，取370 kN；K5為安全系數(shù)，取2；Q為巷道每米冒落拱內(nèi)巖體重，取180 kN。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Lb=3.14 m，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和相似工作面開采支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，錨索排距選取2.4 m。

4.2 錨索錨固段長(zhǎng)度Lc 的計(jì)算

式中：P1為黏結(jié)強(qiáng)度，取10 N/mm2；K6為錨固安全系數(shù)，取2；d3為錨索直徑，21.6 mm。

代入可得Lc≥1 091 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和相似工作面工程經(jīng)驗(yàn)，錨索錨固段長(zhǎng)度取1 500 mm。

4.3 錨索長(zhǎng)度L 的計(jì)算

式中：Lc為錨索錨固長(zhǎng)度，取1.5 m；Ld為錨索外露長(zhǎng)度，取0.25 m；b為頂板潛在離層厚度，取2.0 m。

代入可得頂板錨索長(zhǎng)度為3.75 m，取5.2 m。

5 支護(hù)方案

綜上所述，馬蘭礦28312 工作面皮帶巷采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式：頂板采用4 根直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 m 的螺紋鋼錨桿，間排距1 300×1 200 mm。兩幫采用3 根直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 m 的螺紋鋼錨桿，幫錨桿間排距1 000 mm×1 200 mm。頂錨索采用直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為5 200 mm 的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，排距2.4 m，每排布置一根，布置于兩排頂錨桿中間。支護(hù)方式如圖1 所示。

圖1 支護(hù)方式示意圖

6 工業(yè)試驗(yàn)

28312 采用如上支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行支護(hù)工作，為研究以上方案參數(shù)的合理性及巷道圍巖的變形量，在巷道每隔50 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)站，利用LBY-3 本安型圍巖位移測(cè)定儀對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分別記錄巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟俊?/p>

由圖2 可知，在工作面回采期間，兩幫移近量穩(wěn)定在114 mm，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在57 mm，完全可以保證巷道的安全穩(wěn)定，保障工作面的正?；夭尚枨?。

7 結(jié)論

1）針對(duì)馬蘭礦28312 工作面巷道支護(hù)等問題，設(shè)計(jì)巷道采用矩形斷面，斷面尺寸為4.5 m×3.5 m；根據(jù)相似巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)選用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式。

2）理論計(jì)算得出的錨桿錨索參數(shù)：頂錨桿采用間排距為1 300 mm×1 200 mm、Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿；幫錨桿采用間排距為1 000 mm×1 200 mm、Φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼全長(zhǎng)樹脂錨固錨桿；錨索采用直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為5 200 mm 的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置1 根錨索。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際應(yīng)用變形量監(jiān)測(cè)，證明了此支護(hù)方案可以保證28312 皮帶巷的安全穩(wěn)定。

圖2 巷道變形量分析