郭曉峰，劉 忍，劉世凱，任玉紅，楊 牧，劉姿壯，王金紅

(1.山西蘭花集團 莒山煤礦有限公司，山西 高平 048002；2.徐礦集團 龐莊煤礦蘆家窯項目部，山西 朔州 036800；3.中煤華晉集團 韓咀煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043700)

我國大多數煤礦采用井工開采，需要在井下開挖很多巷道，巷道支護也就成為了影響煤礦生產的重要因素[1]。巷道支護一是為了確保巷道圍巖體的穩(wěn)定性；二是為了給煤礦生產提供良好的工作空間；三是為了保護人與物的安全[2-3]。由于各煤礦地質條件不同，因此聯(lián)合支護的方式也有所差異[4]，那么如何根據煤礦各自的地質條件設計出與之相符的支護方案就成為各煤礦需要解決的重要問題[5]，本文根據莒山煤礦的地質條件，通過理論分析與實踐結合的方法設計出4-2煤層巷道頂板支護方案，不僅為莒山煤礦的生產工作提供了穩(wěn)定的作業(yè)空間，同時也為巷道支護理論提供了一定的實踐經驗。

1 生產地質情況介紹

莒山煤礦位于晉城市澤州縣，目前回采4號煤層，而4號煤層在井田內分叉為4-1號和4-2號煤層，4-1號4-2號煤層平均煤厚分別為9.37 m、3.5 m，兩層相距平均為5.8 m。現(xiàn)礦井4-1號煤層已采完，采掘生產已進入4-2號煤層開拓準備、布面生產階段。4-2號煤層結構簡單，頂板為粉砂巖、泥巖及砂礫巖，底板為泥巖、砂礫巖及炭質粉砂巖，中間含1～2層夾矸，厚0.2～0.4 m。工作面兩巷道設計斷面均為矩形，膠帶巷與軌道巷寬度分別為5.0 m和4.0 m，高度為3.2 m。因4-1號煤層和4-2號煤層距離較近，下部4-2號煤層巷道布置將不可避免地受到上覆4-1號煤層開采礦山壓力的影響，為確保4-2號煤層采掘過程中頂板支護安全，特對4-2煤層開采巷道布置、支護方式進行分析研究和設計。

2 支護設計

由地質資料分析可知，為了確保巷道圍巖體的穩(wěn)定性，該礦應采用錨桿、索、鋼帶聯(lián)合支護。

2.1 軌道巷錨桿的選取

采用懸吊理論對錨桿支護參數進行確定。

2.1.1 長度的選取

長度為L=L1+L2+L3

式中:L為錨桿全長，m；L1為外露長度；L2為有效長度，m；L3為錨桿錨固長度，m。

1)L1=墊板厚度+螺母厚度+(0.02～0.03)m，取0.15 m。

2)L2由普式自然平衡拱理論確定，由于實測煤的堅固性系數為1.9，小于2，因此采用下式確定：

巷道頂錨桿有效長度L2的確定：

L2=1/f[B/2+Hcot(45°+φ/2)

=1/1.9[4.5/2+3cot(45°+67°/2)]

=1.17 m

巷道幫錨桿有效長度L2的確定：

式中:φ為內摩擦角，44.2°；H為巷道掘進高度,m；B為巷道跨度，m；f為普氏系數。

3)L3一般為0.3～0.4 m。

根據上述公式得頂錨桿長度為1.72 m，取2 m；幫錨桿長度為1.75 m，取1.8 m。

2.1.2 間排距的選取

間排距為D≤0.5L=0.5×2=1 m，考慮現(xiàn)場施工方便，取間排距相等，因此，錨桿間、排距均為1 m。

2.1.3 直徑的選取

根據公式d=L/110，確定頂錨桿直徑為19 mm，取20 mm；幫錨桿直徑為16 mm。從安全考慮，同時為了統(tǒng)一制造，取18 mm。

2.1.4 錨固力的驗算

根據下式可確定錨桿錨固力為：

Q=KL2D2r=3×1.9×1.252×1.2=10.7 t

式中：r為視密度，t/m3；L2為錨桿有效長度，m；K為錨桿安全系數，取2～3；Q為錨桿錨固力，t。

2.1.5 錨桿的選取

選用45Mn螺紋鋼，其桿體直徑為22 mm、屈服載荷為124 kN、破壞載荷為200 kN、錨固力為12.4 t，符合條件。

2.2 錨固劑的選取

采用Z2850型樹脂錨固劑，其規(guī)格為D28 mm×500 mm，適應鉆孔為D32 mm±2 mm，主要技術指標見表1。當頂板較穩(wěn)定時采用端部錨固，當頂板條件差時采用全長錨固。

表1 樹脂藥卷主要技術指標

2.3 錨索的選取

根據莒山煤礦的地質條件，采用7股D5 mm的鋼絞線錨索，其結構為1×7；直徑為15.2 mm；拉斷載荷為260 kN；延伸率為3.5%。

2.3.1 錨索長度

X=X1+X2+X3=0.2+2.8+1.5=4.5 m。

式中：X1為錨索外露長度，取0.2 m；X2為潛在不穩(wěn)定巖層高度，取2.8 m；X3為錨索錨固長度，取1.5 m。

2.3.2 排距的選取

s=3σ/4B2γk=3×260/(4×4.02×12.0×0.5)=2.03 m，取2 m。

式中：k為安全系數，取0.5；B為巷道寬度，4.0 m；γ為煤巖體積力，12.0 kN/m3；σ為每根錨索最低破斷載荷，取260 kN。

2.3.3 間距的選取

m=0.85B/n=(0.85×4.0)/2=1.7 m，取1.5 m。

式中：B為巷道寬度，4.0 m；n為排數。軌道巷支護示意見圖1。

圖1 軌道巷支護示意(mm)

3 膠帶巷支護設計

膠帶巷斷面為矩形，寬為5.0 m，高為3.2 m。支護方式采用錨桿、索、鋼帶聯(lián)合支護。確定運輸巷頂錨桿長度為2 m，直徑為20 mm，幫錨桿長度為1.8 m，直徑為18 mm，錨桿錨固力為12.4 t，錨桿間排距為1 m。錨固劑的確定方式同軌道巷。錨索長度取4.5 m，排距、間距分別為1.5 m、1.2 m。膠帶巷支護示意見圖2。

圖2 膠帶巷支護示意(mm)

4 結 語

綜上所述，我礦軌道巷、膠帶巷頂錨桿選用長2.0 m、D20 mm的等強錨桿，幫支護錨桿選用長1.8 m，D18 mm的普通螺紋鋼錨桿。錨桿排距為1 m，間距不大于1 m，錨索選用直徑為15.2 mm的鋼絞線，長度為4.5 m，軌道巷排距為2 m，間距為1.5 m，膠帶巷排距為1.5 m，間距為1.2 m。當4-2煤層巷道過上部煤柱區(qū)、地質構造帶等集中應力區(qū)時，掘進層位及其頂底板圍巖受集中應力作用可能出現(xiàn)塑性變形或強度變弱等現(xiàn)象，根據現(xiàn)場實際巖性條件及受破壞程度，在采取錨桿、錨索主動支護的同時，還需配合架棚支護提高被動支護強度，以確保巷道頂板支護安全。