閆 東

（山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

井工煤礦開采過程中，科學合理的支護設計不僅能夠有效保證巷道支護質量，降低頂板事故發(fā)生概率，而且能夠提高巷道掘進效率，節(jié)約巷道支護成本，減輕工人勞動強度，提高工效[1-2]。目前，錨桿（索）支護已成為我國煤礦井下巷道支護選取的主要支護方式[3]。本文以隆安煤礦為例，結合井下巷道圍巖性質、地質構造、巷道幾何形狀與尺寸等現(xiàn)場實際條件，經(jīng)過理論計算分析，對11上401 進風順槽巷道支護方式及支護參數(shù)進行了設計。通過現(xiàn)場應用結果表明，巷道支護效果較好。

1 工程概況

11上401 工作面位于四采區(qū)，為11#煤層上分層四采區(qū)首采工作面，布置有進風巷、回風巷、開切眼三條巷道。工作面煤層傾角平均4°，煤層厚度為1.38～1.92 m，平均1.6 m。工作面進風順槽掘進斷面寬5.0 m，高2.7 m，掘進斷面積13.5 m2，順槽長度1 323.13 m。

11#煤頂板主要為泥巖、砂質泥巖，裂隙較發(fā)育，隨采易垮落，頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。11#煤采掘過程中若遇斷層構造，伴生裂隙發(fā)育，導致頂板破碎，頂板管理困難。

圖1 11#煤層煤巖層綜合柱狀圖

2 巷道支護設計

2.1 巷道圍巖性質分析

巷道圍巖的穩(wěn)定性可以分為5 個類別，分別是非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定[4-5]。根據(jù)頂板圍巖結構觀察結果，結合工作地質條件等情況，將11上401 工作面進風順槽圍巖穩(wěn)定性劃分為II 級，為穩(wěn)定圍巖。按照煤巷錨桿支護技術規(guī)范要求，巷道頂板巖層較為破碎時，巷道支護方式采用錨桿+鋼筋網(wǎng)；若巷道頂板巖層較為完整，巷道支護采用錨桿+鋼筋梁的支護方式，或采用桁架支護。錨桿選用直徑為18～20 mm、長度為1.8～2.0 m的錨桿，間排距0.8～1.0 m，設計錨固力64～80 kN。

2.2 巷道支護設計

根據(jù)上述分析結果，采用工程類比和理論計算方法對這些參數(shù)進行初步確定。

2.2.1 巷道錨固參數(shù)設計

錨桿錨固方式可以分為全長錨固、加長錨固和端頭錨固三種方式。根據(jù)礦井的巷道圍巖性質及現(xiàn)場施工條件，進風順槽錨固方式采用加長錨固方式。巷道頂部采用直徑為Ф20 mm 的高強度左旋無縱筋錨桿，其破斷載荷為180 kN。頂錨桿錨固長度按照公式（1）計算：

式中：P0為設計錨固力，取錨桿破斷載荷180 kN；R為錨桿孔半徑，取值14 mm；C0為樹脂藥卷粘結強度，按松軟破碎巖體考慮，取1.35 MPa。

所需藥卷長度按照公式（2）進行計算：

式中：R錨為錨桿桿體半徑，取10 mm；R藥為樹脂藥卷半徑，取11.5 mm。

根據(jù)以上計算結果，巷道頂部錨桿選取的樹脂藥卷型號為CK2360 和K2360，每種型號藥卷各一支。則單孔實際錨固長度可以利用公式（3）進行計算，具體計算如下：

2.2.2 頂板錨桿間、排距設計

11上401 工作面進風順槽掘進斷面凈寬5 m，凈高2.7 m，破頂沿11#煤層底板布置。根據(jù)礦井巷道圍巖地質資料，巷道頂板巖層容重取24 kN/m3，巷道頂板巖層普氏硬度系數(shù)取12，煤巖層內摩擦角取35°。巷道頂板圍巖支護載荷集度按照公式（5）計算如下：

式中：∑h為頂板巖體中軟弱巖層厚度，取6.0 m；b′為巷道等效跨度，m，按照公式（6）計算；f為頂板普氏系數(shù)，取12；γ為頂板平均容重，取24 kg/m3；h0為巷道高度，取2.7 m；k為系數(shù)，取1。

巷道等效跨度b'計算公式如下：

式中：K為安全系數(shù)，取1.2；K'為變形載荷系數(shù)，取1.1。頂板錨桿布置間、排距設計按照公式（8）計算：

因11上401 工作面受單斜構造、滑動構造、圍巖裂隙等地質構造情況及巷道埋深等因素影響，根據(jù)井下巷道設計的斷面參數(shù)，取巷道頂部錨桿布置間距為1100 mm，排距布置為1000 mm，每排布置5 根錨桿，靠近兩幫的錨桿距離巷幫300 mm，與鉛垂線呈20°向巷幫傾斜，其余錨桿垂直頂板布置。

2.2.3 幫部錨桿間、排距設計

兩幫煤體普氏系數(shù)取2.5，兩幫所需要的錨固強度按照公式（9）計算如下：

式中：q為錨桿對圍巖表面的平均作用力，取值按照公式（10）計算，取288.9 kN；φ為內摩擦角，取30°。

錨桿對圍巖表面的平均作用力q計算公式如下：

式中：b為巷道高度，取5 m；l3為巷道兩幫可承載錨固體厚度，計算公式如（11），取1 m。

錨桿布置密度計算公式按照公式（12）計算如下：

式中：P0為幫部錨桿錨固力，取100 kN。

則巷道幫部錨桿布置設計間距和排距計算如下：

根據(jù)巷道斷面參數(shù)，取幫部錨桿布置的間、排距均為1000 mm，每排設計布置2 根錨桿，巷道上幫的錨桿布置距離巷道頂板500 mm。幫部錨桿采用Ф20 mm 左旋螺紋鋼錨桿，頂板和幫錨桿長度不變，仍采用現(xiàn)有錨桿長度，頂錨桿2200 mm，幫錨桿1800 mm。

2.2.4 錨索參數(shù)設計

選用的錨索直徑為Φ17.8 mm，為7 芯鋼絞線錨索，其破斷載荷為360 kN。錨索錨固段的巖層為穩(wěn)定性巖層。計算錨索錨固長度公式如下：

式中：P0為設計錨固力，取360 kN；C0為樹脂藥卷粘結強度，按穩(wěn)定性巖層考慮，取值為

2.5 MPa。

藥卷所需的長度按照公式（15）計算如下：

錨索排距為2000 mm，每排2 根，間距為1800 mm，全部垂直頂板布置。

2.2.5 支護方案

根據(jù)上述計算，11上401 工作面進風順槽支護方案為：錨桿+錨索+鋼筋焊結網(wǎng)。錨桿設計布置方式為：巷道頂部錨桿長2200 mm，錨桿排距為1000 mm，間距為1100 mm，每排5 根錨桿，靠近兩幫的錨桿與巷道幫部的距離為300 mm，且向兩幫傾斜約20°；巷幫錨桿設計長度為1800 mm，錨桿間、排距均為1000 mm，每排設計布置2 根錨桿，巷道上幫錨桿距離巷道頂部500 mm，垂直幫部布置；錨索支護設計布置方式為：間距1800 mm，排距2000 mm，每排2 根，距巷幫1600 mm，垂直頂板布置。巷道錨網(wǎng)索支護示意圖如圖2。

圖2 進風順槽巷道支護示意圖

3 應用效果

為保證巷道支護質量與安全，了解巷道支護設計是否合理、支護效果是否滿足設計要求，為今后的巷道支護設計提供參考依據(jù)，在11上401 工作面進風順槽每間隔50 m 布置一個測點，采用“十字”觀測法對進風順槽巷道圍巖變化情況進行定期觀測，通過近60 d 的現(xiàn)場觀測，并將觀測的數(shù)據(jù)進行記錄分析，繪制出如圖3 所示的巷道圍巖變形曲線圖。

圖3 11上401 工作面進風順槽巷道圍巖變形曲線圖

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析可知，巷道頂?shù)装遄冃瘟吭谙锏谰蜻M施工完成20 d 內產生的變化較大，圍巖變形量較大，其中巷道兩幫移近量在40 mm 左右，頂?shù)装逡平吭?0 mm 左右，20 d 以后，巷道圍巖變形量不再變化，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，證明采用錨網(wǎng)索支護方式能夠有效控制巷道圍巖變形，確保了支護安全。

4 結論

結合隆安煤礦11上401 工作面進風順槽圍巖結構特征及工作面地質條件，對進風順槽圍巖進行了分類，根據(jù)煤巷錨桿支護技術規(guī)范要求，提出了巷道采用錨桿+錨索+鋼筋焊結網(wǎng)的支護方式。工作面掘進過程中采用該種支護方式后，通過對巷道圍巖變形情況進行定期觀測，該支護方式在掘進施工完成后20 d 內巷道圍巖變形量較大，其中巷道兩幫移近量在40 mm 左右，頂?shù)装逡平吭?0 mm 左右，20 d 以后巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，證明該支護方式能夠有效控制巷道圍巖變形，達到了設計要求。