復(fù)合頂板支護(hù)設(shè)計(jì)方案

苑 杰

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原030053）

1 工作面巷道基本情況

根據(jù)銜接計(jì)劃安排，礦井將對(duì)48611工作面掘進(jìn)，48611工作面井下位于南六采區(qū)。北鄰南六采區(qū)集中巷道；南鄰杜兒坪礦礦界；東、西部為實(shí)煤區(qū)。工作面上覆北部2號(hào)煤為西銘礦西十2號(hào)煤42008、42010、42012采空區(qū)，南部為西銘礦西十二42208采空區(qū)以及42206工作面（待采）、42204工作面（掘進(jìn)），8號(hào)煤與2號(hào)煤層間距85 m左右；3號(hào)煤不可采，8號(hào)與3號(hào)煤層間距68 m左右。

工作面地表位于富家洼村以東、婁煩灘溝以西、蒿地茆村西南，窯兒頭村、杜兒坪礦礦界以北。工作面地表為溝谷地形，溝谷兩側(cè)出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2S）部分地層，局部山頂覆蓋第四系（Q）黃土層；地表無廢棄井筒、線塔、公路及煤層露頭存在；蓋山厚度平均423 m。

該面所掘8號(hào)煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層上部夾石為2.00～3.74 m，平均2.84 m的泥巖或砂質(zhì)泥巖；8號(hào)煤上分層厚度0.52～0.79 m之間，平均厚度約為0.65 m；下分層厚度3.17～3.75 m之間，平均厚度約為3.47 m，總體來說厚度的變化不明顯，屬于較為穩(wěn)定的單一中厚煤，如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

巷道用途為回采巷道，服務(wù)時(shí)間短，確定巷道斷面形狀為矩形，結(jié)合西銘礦工作面回采經(jīng)驗(yàn)，選用矩形斷面，皮帶巷寬度確定為4.8 m，高度確定為3.5 m。巷道采用綜掘開口施工，托夾石掘進(jìn),皮帶巷長度為1 709 m。

2巷道支護(hù)技術(shù)方案

結(jié)合西銘礦支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，采用工程類比法，確定巷道頂板支護(hù)形式為“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)”支護(hù)，，如下頁圖1所示，選用Φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿，矩形布置，錨桿間排距1 100 mm×1 000 mm，每根頂錨桿裝MSCKb2360型藥卷1卷和MSK2380型藥卷1卷，戴成品托片一個(gè)。錨索使用Φ21.6 mm×5 400 mm鋼絞線配合鎖頭、托盤，矩形布置，間距2 200 mm，排距2 000 mm，每孔配MSK2380（外）錨固劑兩個(gè)，MSCKb2360（里）錨固劑一個(gè)固定。兩面?zhèn)葞筒捎靡?guī)格為Φ20 mm×1 800 mm的螺紋鋼錨桿配合上菱形金屬網(wǎng)支護(hù),錨桿的間排距規(guī)定為1 500 mm×1 200 mm，矩形布置，每根幫錨桿裝MSCKb2360型藥卷1卷和MSK2380型藥卷1卷，配成品井字托片和小片各一個(gè)，最上排錨桿距頂板300 mm。

當(dāng)施工錨桿時(shí)要在臨時(shí)支護(hù)的掩護(hù)下進(jìn)行，采用掘錨護(hù)一體機(jī)的錨護(hù)部分作為工作面的臨時(shí)支護(hù)，待施工完后先將臨時(shí)支護(hù)升起，使之接頂，再進(jìn)行錨桿的永久支護(hù)。工作面循環(huán)進(jìn)度為2 m，工作面最大控頂距為2.4 m，最小控頂距為0.4 m。

錨桿緊固力達(dá)到190 N·m。錨桿錨固力不低于105 kN。錨索預(yù)緊力達(dá)到100 kN以上。錨索錨固力不低于200 kN。

3 巷道掘進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)懸吊原則理論設(shè)計(jì)巷道的支護(hù)參數(shù)。

3.1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

重點(diǎn)是確定巷道被破壞區(qū)的范圍值（其中包括巷幫破壞深度C，頂板破壞高度b），再次確定巷道支護(hù)的載荷值（其中包括頂板載荷集度Qr，巷幫載荷集度Qs），最后再確認(rèn)錨桿支護(hù)的具體參數(shù)。

圖1 巷道支護(hù)示意圖（單位：mm）

3.1.1 巷道兩幫的破壞深度值C的確定

式中：Kσ是應(yīng)力集中系數(shù)；Kσ=KsKa=2.76，Ks是與巷道的斷面形狀有關(guān)的應(yīng)力集中系數(shù)，Ks=2.3，Ka是受臨近工作面采空區(qū)影響的系數(shù)；σcc是指被巷道切割的煤層單向抗壓強(qiáng)度，取值10 MPa；α是指煤層的傾角，取值4°；hc是指被巷道切割的煤層厚度，取值3.47 m；γ是指巷道上覆巖層的平均容重，取值25 kN/m3；H是指巷道的埋深，取值423 m；l是指巷道切割層的最大寬度，取值4.8 m；μ是指煤層波松比，取值0.45；φ是指煤層的內(nèi)摩擦角，。

Ka的計(jì)算公式如下：

式中：X是指預(yù)留煤柱的實(shí)際寬度，X=25 mm；σrm是指老頂?shù)膯蜗蚩箟簭?qiáng)度，σrm=60 MPa；h是指巷道的采高，h=3.47m；hi是指直接頂?shù)暮穸?，取平均?.84m。將數(shù)據(jù)代入公式（2）計(jì)算得Ka=1.2。

將以上所有數(shù)據(jù)代入公式（1），得C＝1.18 m。

3.1.2 巷道頂板破壞高度b的確定

式中：a是指懸臂巖層的半跨距，取值2.4 m；λ是指考慮水平應(yīng)力作用的巷道側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/（1-μ）=0.818；Ky是指頂板巖層的完整系數(shù)；σcr是指頂板巖層的單向抗拉強(qiáng)度，取值70 MPa。

Ky的計(jì)算公式如下：

式中：D1是指節(jié)理的間距，取值0.3 m；D2是指分層的厚度，取值0.2 m。將數(shù)據(jù)代入公式（4）計(jì)算得Ky=0.38。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（3），算得b=1.27 m。

3.1.3 頂板載荷集度Qr的確定

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（5），算得Qr=242 kN/m。

3.1.4 巷幫載荷集度Qs的確定

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（6），算得Qs=67 kN/m。

3.1.5 頂板錨桿的參數(shù)設(shè)計(jì)

頂板被破壞的高度在0.2 m與1.6 m之間。

3.1.5.1 錨桿的長度Ldr

式中：Δ為錨桿外露長度與錨固段長度之和，錨桿外露長度取0.1 m，錨入穩(wěn)定巖層的固段長度取0.3 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（7），算得Ldr=1.67 m，根據(jù)施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)取1.8 m。

3.1.5.2 錨桿桿體的直徑d

根據(jù)的原則是桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度，所以

式中：Q是指錨固力，取值105 kN；σt是指桿體材料抗拉強(qiáng)度，取值490 MPa。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（8），算得d=16.44 mm，取20 mm。

3.1.5.3 錨桿的排距Dr

式中：Pr是指錨桿拉拔力，取值105 kN；K是指安全系數(shù)，取值1。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（9），算得Dr=1.43 m，根據(jù)西銘礦錨桿使用的經(jīng)驗(yàn)，取1.0 m。

3.1.5.4 每排錨桿根數(shù)N

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（10），算得N=3.45，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)工作面皮帶巷托夾石掘進(jìn)時(shí)，采用矩形布置，取5根。

3.1.6 幫錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

3.1.6.1 錨桿的長度Lbr

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（11），算得Lbr=1.58 m，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，取值1.8 m。

3.1.6.2每排錨桿根數(shù)N'

式中：Ds是指錨桿的排距，取值1.5 m；Ps是指幫錨桿的拉拔力，取值50 kN。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（12），算得N'=2.01，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取3根。

根據(jù)上面所有數(shù)據(jù)的演算，以及以往的施工經(jīng)驗(yàn)判斷，工作面如果托夾石掘進(jìn)時(shí)，頂錨桿支護(hù)的間、排距規(guī)定為1.1 m×1.0 m，矩形布置，幫錨桿的間、排距規(guī)定為1.2 m×1.5 m。

3.2 切眼錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

巷道采用錨索加強(qiáng)頂板支護(hù)，使用Φ17.8 mm×5 400 mm鋼絞線，間排距2.2 m×2.0 m。

3.2.1 錨索排距S的計(jì)算

式中：B為巷道最大冒落寬度，取4.8 m；H'為潛在冒落高度為2.4 m；γ為巖體的容重取25 kN/m3；S'為錨桿排距，1.0 m；F1為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，105 kN；F2為錨索錨固力，取200 kN；θ為角錨桿與巷道的夾角，75°；n為錨索排數(shù)，取2排。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（13），算得S=4.6 m。實(shí)際支護(hù)錨索排距2.2 m＜4.6 m，滿足支護(hù)要求。

3.2.2 錨索長度L的計(jì)算

式中：L1為錨索的深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，一般為1.5～2.0 m，取2 m；L2為潛在冒落高度，取2.4 m；L3為外露長度，0.25 m。因此L=4.65 m。

結(jié)合西銘礦實(shí)際情況，選取直徑Φ17.8 mm，長度為5.4 m的錨索，可滿足支護(hù)要求。

4 巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)

使用錨桿拉拔儀，每隔300根檢查三組，一組3根，做拉拔實(shí)驗(yàn)，達(dá)到105 kN。使用錨桿力矩扳手對(duì)每根錨桿，緊固檢查，達(dá)到190 Nm。巷道每隔50 m安設(shè)一個(gè)頂板離層儀；巷道開口及交叉口處各安裝一個(gè)頂板離層儀。每隔50 m安設(shè)一個(gè)液壓枕對(duì)錨桿（錨索）受力載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

5 結(jié)語

巷道的支護(hù)形式確認(rèn)通過對(duì)錨桿長度、直徑等數(shù)值的計(jì)算，就能夠做到科學(xué)合理排布，并且在此基礎(chǔ)上再配合礦壓監(jiān)測(cè)監(jiān)控，就能保證施工質(zhì)量合格，確保巷道施工安全，值得相同地質(zhì)條件的煤礦推廣使用。