大斷面巷道圍巖支護設計研究

張 杰

（晉能集團太原有限公司，山西 太原 030000）

巷道支護是一項復雜的系統(tǒng)工程，在煤礦開采技術中占有較大比重，是井下安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容，而大斷面煤巷支護是巷道支護中較為困難的一種類型。由于巷道斷面積較大，巷道受圍巖應力影響相較小斷面巷道更為嚴重，支護難度更高。

三元煤業(yè)15號煤采用大斷面巷道布置，為做好巷道支護，根據(jù)礦井實際地質(zhì)條件，運用多種理論計算方式，計算出開拓巷道、回采巷道合理的理論支護參數(shù)，為后續(xù)支護提供建設性意見。

1 工程背景

山西三元福達煤業(yè)股份有限公司是晉能集團所屬的煤炭生產(chǎn)企業(yè)，15號煤層巷道斷面達18m2以上，屬于大斷面巷道支護，主要分為開拓巷道和回采巷道兩類。開拓巷道由于巷道服務范圍大，服務年限長，擬采用錨＋網(wǎng)＋噴支護方案?；夭上锏烙捎趦H服務于相應工作面，服務年限較短，擬采用錨桿加網(wǎng)支護方案。所有巷道均沿頂板掘進布置，保持巷道頂板完整性。

15號煤層開拓巷道和回采巷道斷面尺寸見表1。

表1 兩類巷道斷面尺寸表

2 理論計算

2.1 經(jīng)驗公式計算

（1）錨桿長度

式中：

W—巷道寬帶，開拓巷道4.5m，回采巷道4.2m；

N—圍巖影響系數(shù)（15號煤層圍巖為Ⅱ類穩(wěn)定圍巖，取1.0）。

（2）錨桿間距

式中：

M-錨桿的間距，m。

（3）錨桿直徑

式中：

d-錨桿直徑，m。

利用上式計算錨桿支護參數(shù)，計算得出開拓巷道錨桿長度為1.95m，直徑17.73mm，間距≤1.0m；回采巷道錨桿總長度為1.90m，直徑17.27mm，間距≤1.0m。

2.2 工程類比分析

利用工程類比法，對比工程實踐經(jīng)驗，選擇最為合理的設計方案。該礦15號煤頂部為平均厚度7.60m的石灰?guī)r，屬Ⅰ類穩(wěn)定頂板，無需進行頂部支護，主要對兩幫進行支護，支護參數(shù)見表2。

表2 巷道支護工程類比結果表

2.3 極限平衡區(qū)理論分析

（1）設計理論依據(jù)

① 巷道理論半徑的確定

計算巷道理論半徑 公式為：

式中：

S-巷道斷面積，開拓巷道為18.0m2，回采巷道為18.5 m2；

kx-巷道斷面積修正系數(shù)，取值1.2。

根據(jù)以上公式，得出開拓巷道當量半徑為2.87m，理論半徑為3.04m；回采巷道當量半徑為2.91m，理論半徑為3.12m。

② 極限平衡區(qū)深入巷道圍巖深度的確定

極限平衡區(qū)半徑R計算公式為：

式中：

γ—上覆巖層體積質(zhì)量，取值為2.71g/cm3；

H-巷道埋深，m；

Pi-支護阻力，MPa；

K1-采動影響系數(shù)，一般為1～3；

K2-巖體力學參數(shù)修正系數(shù)，一般為1～2.5。

巷道周邊位移計算公式為：

式中：

a-巷道理論半徑，m；

u-巷道周邊位移，m；

E-彈性模量，取26.4GPa；

φ-煤巖內(nèi)摩擦角，取40°。

極限平衡區(qū)深入圍巖的深度計算公式為：

對于15號煤層的開拓巷道和回采巷道，其物理力學參數(shù)以15號煤層及其頂?shù)装鍨橹?，按平均埋?00m考慮，忽略支護阻力對極限平衡的影響。由此所得巷道極限平衡區(qū)各項參數(shù)計算結果見表3所示。

表3 極限平衡區(qū)各項參數(shù)計算結果表

（2）巷道圍巖錨桿支護參數(shù)設計

① 錨桿的長度

式中：

L1-錨桿錨固長度，m；

L2-錨桿外露長度，取0.1m。

實際選用的錨固長度 應為兩者中的較大者，并考慮到一定的攪拌不均勻系數(shù)，可以得到下式：

式中：

Kj-攪拌不均勻系數(shù)，1.2～1.5，此處取值Kj=1.5；

L'1-發(fā)生在錨桿表面處錨固長度，mm，計算公式為：

式中：

dj-錨桿直徑，mm；τj-粘結劑同錨桿的粘結強度，一般取8MPa；

L''1—發(fā)生在鉆孔巖壁處的錨固段長度，mm，計算公式為：

式中：

dy-鉆孔直徑，mm；

τy-粘結劑同鉆孔間的粘結強度，一般取5MPa。

② 錨桿直徑D與間排距

支護最大載荷密度qd為：

式中：

h-巷道的半高，m。

錨桿直徑與錨桿支護范圍的面積S（S=H×I間距×排距）及所承受載荷有密切關系，關系式如下：

式中：

D-錨桿直徑，mm；

[σ]-桿體承載強度，MPa。

錨桿直徑與間排距的關系如下：

計算得錨桿參數(shù)為：開拓巷道錨桿長度1.8m，直徑16mm，間排距1.0×1.0m，錨固長度不小于0.81m；回采巷道錨桿長度2.0m，直徑18mm，間排距0.8×0.8m，錨固長度不小于0.93m。

3 巷道支護參數(shù)理論確定

該礦15號煤頂板為平均厚度為7.6m的石灰?guī)r，巖石抗壓強度為110MPa，針對其頂板特性，設計15號煤層開拓巷道和回采巷道頂板皆不進行支護，為避免頂板巖石受風化或采動影響發(fā)生脫落現(xiàn)象，設計鋪設錨網(wǎng)。利用錨桿對錨網(wǎng)進行固定，頂錨桿采用直徑16～18mm、長度為1.8m的錨桿，間排距為1.6m×0.8m。

巷幫由于其賦存較為破碎，經(jīng)過以上多種理論計算方法，并根據(jù)計算結果進行分析確定，錨桿長度取值在2.0～2.4m，直徑取值在16～20mm，錨桿間排距采用0.8×0.8m和1.0×1.0m兩種規(guī)格，確定錨固長度不低于0.63m，取一定安全系數(shù)，最終取值為0.8m。

根據(jù)以上理論參數(shù)，結合同類礦井工程經(jīng)驗類比，初步確定的兩幫支護參數(shù)見表4。

表4 巷道兩幫錨桿支護選取表

4 支護效果

部分巷道支護示意圖如下圖1所示。

圖1 運輸順槽支護圖

該礦井15號煤層開拓及回采巷道在實際施工中，采用本次支護設計參數(shù)進行巷道支護，進行后期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：

（1）開拓巷道頂板下沉量為45mm，兩幫移近量為64mm，整體巷道變形量很小，變形速率較為平緩。

（2）回采巷道由于回采的原因，巷道變形較大。經(jīng)監(jiān)測，巷道變形最大處位于工作面到工作面前方25m范圍內(nèi)，且這一區(qū)域變形較為劇烈，變形速率較快。頂板最大下沉量為164mm，兩幫最大移近量為208mm，整體巷道變形在可控范圍內(nèi)，支護效果明顯，可以滿足巷道服務要求。