陳 凱

（山西保利平山煤業(yè)股份有限公司， 山西 晉城 048200）

引言

受礦山壓力和巷道掘進(jìn)的影響，巷道圍巖完整性受到破壞，變形嚴(yán)重，面臨多次返修的難題，為了保證巷道的安全穩(wěn)定，保證巷道功能的正常使用，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]。

1 工程概況

平山煤礦位于山西省晉城市沁水縣鄭村鎮(zhèn)后河村，東翼膠帶與東翼軌道聯(lián)巷掘進(jìn)工作面位于東翼膠帶大巷北側(cè)，東翼軌道大巷南側(cè)，巷道設(shè)計(jì)工程量共計(jì) 114.929 m，巷道沿 -0°45′0″下山掘進(jìn)114.929 m與東翼軌道大巷貫通。地面標(biāo)高為+935～+1 015 m，水平標(biāo)高為 +365.815～+368.173 m，巷道用于尋找瓦斯參數(shù)井，服務(wù)于整個(gè)32采區(qū)。位于礦井3號(hào)煤層底板巖層中，上距3號(hào)煤層10 m以上。井田內(nèi)無(wú)采空區(qū)，相鄰礦井為近幾年投產(chǎn)礦井，采空區(qū)遠(yuǎn)離礦井邊界，且該工程位于我礦井田范圍中南部，因井田煤可采煤層埋藏較深，井田范圍內(nèi)無(wú)老窯存在。

該巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)主要以砂質(zhì)泥巖為主，層理清晰，煤層發(fā)育穩(wěn)定，主要支護(hù)錨固層為沙質(zhì)泥巖為主。煤（巖）層產(chǎn)狀、厚度、結(jié)構(gòu)、堅(jiān)固性系數(shù)，預(yù)計(jì)巷道揭露的各煤層間距，頂?shù)装鍘r性及特征分析由上至下煤巖層結(jié)構(gòu)、厚度巖性及特征見表1。

2 巷道布置

東翼膠帶大巷與東翼軌道大巷聯(lián)巷沿-0°45′0″下山掘進(jìn)114.929 m與東翼膠帶大巷貫通。巷道根據(jù)使用功能和工作年限確定采用直墻半圓拱形巷道，東翼膠帶大巷與東翼軌道大巷聯(lián)巷掘進(jìn)斷面為：掘?qū)? 240 mm，掘高3 720 mm，掘斷面積13.8 m2；凈寬4 000 mm，凈高3 600 mm，直墻高1 600 mm，凈斷面積12.7 m2。

表1 巷道頂?shù)装迩闆r表

3 巷道支護(hù)的驗(yàn)算

3.1 巷道永久支護(hù)方式

根據(jù)巷道初步設(shè)計(jì)結(jié)合生產(chǎn)技術(shù)科設(shè)計(jì)要求及用途和服務(wù)年限，綜合考慮采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)。

1）錨桿：采用Φ22 mm、L=2 400 mm的左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿；托盤規(guī)格為150 mm×150 mm拱形高強(qiáng)度異型托盤，厚度10 mm；由里向外依次為鋼板托盤、半球、螺母，錨桿間排距為0.8 m×0.8 m；

2）金屬網(wǎng)：采用金屬網(wǎng)由Φ6 mm的鋼筋按100 mm×100 mm的網(wǎng)格焊接而成，網(wǎng)幅為2 500 mm×1 100 mm；

3）錨索：采用Φ22 mm錨索，原則上使用8 300 mm長(zhǎng)的錨索，當(dāng)該錨索不能錨固到穩(wěn)定巖層內(nèi)時(shí)，錨索長(zhǎng)度根據(jù)與煤層底板距離合理選擇進(jìn)行加工；托盤規(guī)格為300 mm×300 mm拱形高強(qiáng)度異型托盤，厚度16 mm，由里向外依次為鋼板托盤、半球、鎖具，錨索間排距為1.6 m×1.6 m；

4）錨固劑：支護(hù)錨桿使用2卷MSK2360，支護(hù)錨索使用3卷MSK2360錨固劑；

5）錨噴參數(shù)為：噴射混凝土C20；混凝土質(zhì)量配比為m（水泥）∶m（黃沙）∶m（石子）=1∶2∶2；速凝劑為水泥比重的4%；水灰比為0.45；噴漿厚度為120 mm；噴嘴風(fēng)壓為 3～4 MPa；噴嘴水壓為 0.5 MPa，水質(zhì)為清潔中性水。

3.2 永久支護(hù)驗(yàn)算

3.2.1 錨桿長(zhǎng)度

錨桿通過(guò)懸吊作用，幫錨桿通過(guò)加固幫體作用，達(dá)到支護(hù)效果的條件，應(yīng)滿足：

式中：L為錨桿總長(zhǎng)，mm；L1為錨桿外露長(zhǎng)度，10～40 mm；L2為有效長(zhǎng)度（頂錨桿取免壓頂高b，幫錨桿取煤幫破碎深度c），mm；L3為錨入巖層內(nèi)深度（頂部錨桿取1 200 mm，幫部錨桿1 200 mm）。

式中：B、H為巷道掘進(jìn)寬度和高度，B取寬度為4.24m，H為3.72 m；f頂為頂板巖石普式系數(shù)，取3；ω幫為兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角，取63.43°（查《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》（上冊(cè)）得）。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得b≈999mm，c≈878 mm。

依據(jù)L≥L1+L2+L3公式驗(yàn)算，實(shí)際選用錨桿長(zhǎng)：

因此所選錨桿長(zhǎng)度均能滿足要求。

3.2.2 按錨桿所懸吊的質(zhì)量校核錨桿的間距

按單體錨桿懸吊作用計(jì)算

式中：Q為錨桿的破斷力，取151 kN；γ為巖體容重，取22 kN/m3；k1為安全系數(shù)，取3；l2為普氏免壓拱高，取 0.9 m，通常a=b。

帶入上述公式計(jì)算錨桿間、排距為1.23 m，設(shè)計(jì)錨桿間距為0.8 mm、排距為0.8 mm，符合要求。

3.2.3 錨桿直徑

式中：Q為錨桿的破斷力，取151 kN；σt為桿體抗拉強(qiáng)度，取540 MPa

經(jīng)上述計(jì)算錨桿直徑d為18.9 mm，設(shè)計(jì)使用錨桿直徑為22 mm，符合要求。

3.2.4 錨固方式和長(zhǎng)度

式中：d為錨桿直徑，取22 mm；d孔為鉆孔直徑，取28 mm；σt為桿體材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，取540 MPa；τ孔為錨固劑與孔壁的黏結(jié)強(qiáng)度；取6.5 MPa。

經(jīng)上述計(jì)算錨桿所需錨固長(zhǎng)度為35.9 cm，設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度為120 cm，符合要求。

錨固方式：采用端頭錨固，錨桿選用MSK2360型樹脂錨固劑2根。

3.2.5 錨桿鉆孔直徑與樹脂錨固劑直徑

根據(jù)“三徑”匹配要求，錨桿鉆孔直徑與錨桿桿體直徑之差為6～8 mm，錨桿鉆孔直徑與樹脂錨固劑直徑之差為4～8 mm，因此錨桿鉆孔直徑R孔在26～30 mm之間，樹脂錨固劑直徑R樹在20～24 mm之間。取R孔=28 mm，R樹=23 mm。

3.2.6 錨索長(zhǎng)度

式中：X1為錨索外露長(zhǎng)度，取0.25 m，X2為潛在不穩(wěn)定巖層高度，X2=0.8B，X3為錨索錨固長(zhǎng)度，X3=，k2為安全系數(shù)，一般取2；dm為錨索鋼絞線直徑，22 mm；fs為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，1 860 MPa；fc為錨索與錨固劑的設(shè)計(jì)黏結(jié)強(qiáng)度，取12 MPa。

經(jīng)上述計(jì)算X3的長(zhǎng)度為1.71 m，取X3的長(zhǎng)度為1.8m，計(jì)算X的長(zhǎng)度為5.18m，設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度為8.3m，符合要求。

3.2.7 錨索排距

式中：σ為每根錨索最小破斷力，250 kN；k3為安全系數(shù)，一般取0.5。計(jì)算可得，錨索排距s=0.948 m。

3.2.8 錨索間距

帶入可得錨索間距m為3.8 m。經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，錨索間排距為3.8 m×0.948 m，設(shè)計(jì)錨索間排距為1.6 m×1.6 m符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 巷道臨時(shí)支護(hù)

巷道臨時(shí)支護(hù)以前探梁為主，液壓點(diǎn)柱為輔的臨時(shí)支護(hù)工藝。液壓點(diǎn)柱使用DW22-30/100B單體液壓支柱，工作面?zhèn)渥?～4根該型號(hào)液壓支柱。

4 支護(hù)技術(shù)要求

4.1 永久支護(hù)技術(shù)要求

1）巷道落巖后迎頭達(dá)到可以進(jìn)行頂板錨桿支護(hù)的高度時(shí)，必須立即進(jìn)行錨桿支護(hù)，巷道頂板錨桿支護(hù)必須緊跟迎頭施工。頂板及兩幫穩(wěn)定，不掉頂、不片幫時(shí)，頂部錨桿逐排及時(shí)支護(hù)到迎頭，若不穩(wěn)定時(shí)，掉頂、片幫時(shí)、間距、數(shù)量作相應(yīng)調(diào)整。炮掘時(shí)最大控頂距為1.8～2.4 m，最小控頂距為0.2～0.6 m。幫部下2根錨桿距迎頭滯后不超過(guò)4排。

2）巷道錨桿為矩形排列方式布置，間排距為800 mm×800 mm，錨桿間排距允許偏差為±100 mm，。若現(xiàn)場(chǎng)頂板巖性發(fā)生變化，及時(shí)改變錨桿間排距，補(bǔ)充支護(hù)措施；錨桿均垂直于巖壁，錨桿角度允許偏差為±15°；錨桿孔深誤差在0～50 mm范圍內(nèi)；錨桿露出螺母長(zhǎng)度為10～40 mm。錨固長(zhǎng)度為1 200 mm，每根錨桿用二卷MSK2360樹脂錨固劑，扭矩為300 N·m。

3）巷道頂板金屬網(wǎng)橫向鋪設(shè)，兩幫金屬網(wǎng)縱向鋪設(shè)，金屬網(wǎng)壓茬100 mm，采用16號(hào)鐵絲雙股每200 mm綁扎1道，成Z字形。兩幫鋪網(wǎng)時(shí)，上方自頂板面向下鋪設(shè)，下方低于最下面一根錨桿至少50 mm，且?guī)?、頂鋪設(shè)必須要封閉拉緊，充分展開，并緊貼巷道圍巖表面。

4）錨索間排距均為 1 600 mm×1 600 mm，3-2-3布置，錨索間排距允許偏差為±100 mm，預(yù)緊力不低于140 kN（使用ML-20型拉拔儀，壓力表讀數(shù)不低于35 MPa），每根錨索使用3卷MSK2360型樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度1 800 mm；錨索支護(hù)不得滯后2個(gè)錨索排距。

4.2 特殊地段的支護(hù)方式和技術(shù)要求

1）遇斷層破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)等特殊地段時(shí)，必須逐排掘進(jìn)、逐排支護(hù)，縮小循環(huán)進(jìn)尺，最大控頂距不超過(guò)800 mm，采取縮小頂幫錨桿排距，加密錨索支護(hù)措施，并視現(xiàn)場(chǎng)具體情況補(bǔ)充安全技術(shù)措施。

2）在巷道壓力較大地段，必須經(jīng)常觀察頂板變化，發(fā)現(xiàn)頂板變形嚴(yán)重或因壓力大出現(xiàn)錨桿崩斷等異常情況應(yīng)及時(shí)采取加固措施。

3）在巷道施工過(guò)程中出現(xiàn)塌窩處大于300 mm段，使用單層10號(hào)菱形鐵絲網(wǎng)配合Φ22 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱肋金屬錨桿緊貼巖面進(jìn)行支護(hù)，然后采用鋼筋網(wǎng)配合Φ22 mm右旋全螺紋錨桿進(jìn)行造型，空隙小于300 mm段補(bǔ)加木托板后使用鋼筋網(wǎng)配合第二個(gè)托盤進(jìn)行造型。

5 工業(yè)試驗(yàn)

東翼膠帶與東翼軌道聯(lián)巷采用如上支護(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30 m設(shè)置一個(gè)測(cè)站，分別記錄巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟?。通過(guò)提取測(cè)站數(shù)據(jù)分析可以得到：在工作面回采期間，頂?shù)装遄畲笞冃瘟?00 mm，兩幫相對(duì)變形量250 mm，巷道底鼓量大于兩幫移近量，底鼓速度比兩幫移近速度快，因此，施工時(shí)要適當(dāng)預(yù)留移近量，以治理巷道底鼓為主，增加底角錨桿支護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)平山煤礦東翼膠帶與東翼軌道聯(lián)巷支護(hù)問(wèn)題，根據(jù)巷道布置以及煤層賦存情況，設(shè)計(jì)巷道均采用直墻半圓拱形巷道，凈寬4 000 mm，凈高3 600 mm，直墻高1 600 mm，凈斷面積12.7 m2；根據(jù)相似巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)選用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，并通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了錨桿錨索參數(shù)，錨桿采用間排距為0.8m×0.8 m、Φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿；錨索采用間排距為1.6 m×1.6 m，直徑為22 mm，長(zhǎng)度為8 300 mm的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線；最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際應(yīng)用變形量監(jiān)測(cè)，證明此支護(hù)方案可以保證東翼膠帶與東翼軌道聯(lián)巷的安全穩(wěn)定。