平山煤礦東翼膠帶與東翼軌道聯(lián)巷支護技術(shù)的研究

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的影響，巷道圍巖完整性受到破壞，變形嚴重，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，需針對具體的工作面地質(zhì)環(huán)境進行巷道支護技術(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)計工程量共計 114.929 m，巷道沿 -0°45′0″下山掘進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32采區(qū)。位于礦井3號煤層底板巖層中，上距3號煤層10 m以上。井田內(nèi)無采空區(qū)，相鄰礦井為近幾年投產(chǎn)礦井，采空區(qū)遠離礦井邊界，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)無老窯存在。

該巷道掘進范圍內(nèi)主要以砂質(zhì)泥巖為主，層理清晰，煤層發(fā)育穩(wěn)定，主要支護錨固層為沙質(zhì)泥巖為主。煤（巖）層產(chǎn)狀、厚度、結(jié)構(gòu)、堅固性系數(shù)，預(yù)計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 巷道支護的驗算

3.1 巷道永久支護方式

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

1）錨桿：采用Φ22 mm、L=2 400 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿；托盤規(guī)格為150 mm×150 mm拱形高強度異型托盤，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長的錨索，當(dāng)該錨索不能錨固到穩(wěn)定巖層內(nèi)時，錨索長度根據(jù)與煤層底板距離合理選擇進行加工；托盤規(guī)格為300 mm×300 mm拱形高強度異型托盤，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：支護錨桿使用2卷MSK2360，支護錨索使用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 永久支護驗算

3.2.1 錨桿長度

錨桿通過懸吊作用，幫錨桿通過加固幫體作用，達到支護效果的條件，應(yīng)滿足：

式中：L為錨桿總長，mm；L1為錨桿外露長度，10～40 mm；L2為有效長度（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)計手冊》（上冊）得）。代入數(shù)據(jù)計算得b≈999mm，c≈878 mm。

依據(jù)L≥L1+L2+L3公式驗算，實際選用錨桿長：

因此所選錨桿長度均能滿足要求。

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。

帶入上述公式計算錨桿間、排距為1.23 m，設(shè)計錨桿間距為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為桿體抗拉強度，取540 MPa

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

3.2.4 錨固方式和長度

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)計抗拉強度，取540 MPa；τ孔為錨固劑與孔壁的黏結(jié)強度；取6.5 MPa。

經(jīng)上述計算錨桿所需錨固長度為35.9 cm，設(shè)計錨固長度為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 錨索長度

式中：X1為錨索外露長度，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為鋼絞線抗拉強度，1 860 MPa；fc為錨索與錨固劑的設(shè)計黏結(jié)強度，取12 MPa。

經(jīng)上述計算X3的長度為1.71 m，取X3的長度為1.8m，計算X的長度為5.18m，設(shè)計的長度為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)過上述計算，錨索間排距為3.8 m×0.948 m，設(shè)計錨索間排距為1.6 m×1.6 m符合設(shè)計要求。

3.3 巷道臨時支護

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

4 支護技術(shù)要求

4.1 永久支護技術(shù)要求

1）巷道落巖后迎頭達到可以進行頂板錨桿支護的高度時，必須立即進行錨桿支護，巷道頂板錨桿支護必須緊跟迎頭施工。頂板及兩幫穩(wěn)定，不掉頂、不片幫時，頂部錨桿逐排及時支護到迎頭，若不穩(wěn)定時，掉頂、片幫時、間距、數(shù)量作相應(yīng)調(diào)整。炮掘時最大控頂距為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)場頂板巖性發(fā)生變化，及時改變錨桿間排距，補充支護措施；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)；錨桿露出螺母長度為10～40 mm。錨固長度為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號鐵絲雙股每200 mm綁扎1道，成Z字形。兩幫鋪網(wǎng)時，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)汀㈨斾佋O(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，錨固長度1 800 mm；錨索支護不得滯后2個錨索排距。

4.2 特殊地段的支護方式和技術(shù)要求

1）遇斷層破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)等特殊地段時，必須逐排掘進、逐排支護，縮小循環(huán)進尺，最大控頂距不超過800 mm，采取縮小頂幫錨桿排距，加密錨索支護措施，并視現(xiàn)場具體情況補充安全技術(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)頂板變形嚴重或因壓力大出現(xiàn)錨桿崩斷等異常情況應(yīng)及時采取加固措施。

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

5 工業(yè)試驗

東翼膠帶與東翼軌道聯(lián)巷采用如上支護技術(shù)方案進行支護工作，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)置一個測站，分別記錄巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟?。通過提取測站數(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。

6 結(jié)語

針對平山煤礦東翼膠帶與東翼軌道聯(lián)巷支護問題，根據(jù)巷道布置以及煤層賦存情況，設(shè)計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)相似巷道支護經(jīng)驗選用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護，并通過理論計算驗證了錨桿錨索參數(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，長度為8 300 mm的高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線；最后通過現(xiàn)場工作面實際應(yīng)用變形量監(jiān)測，證明此支護方案可以保證東翼膠帶與東翼軌道聯(lián)巷的安全穩(wěn)定。