43311 巷道支護(hù)設(shè)計應(yīng)用研究及校核

張 瑋

（晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限公司長平煤礦，山西 晉城 048006）

近年來，隨著礦井采掘深度和范圍的增加，巷道在掘進(jìn)過程中面臨著許多問題[1-3]，例如圍巖破碎、支護(hù)困難等，使得掘進(jìn)工作面的支護(hù)勞動強(qiáng)度高，作業(yè)中存在安全隱患[4]，威脅到生產(chǎn)人員的安全，影響生產(chǎn)進(jìn)度及效率[5-8]。

長平公司43311 巷掘進(jìn)工作面北部以及東南部均為村莊，南部為工業(yè)廣場區(qū)域，地面標(biāo)高在+943～ +1017 m 之間，巷道標(biāo)高為+489～ +509 m 之間，蓋山厚度約為454～528 m。

1 掘進(jìn)工作面技術(shù)特征

43311 掘進(jìn)工作面布置在3#煤層中，沿3#煤層頂板掘進(jìn)。其周邊環(huán)境復(fù)雜，北部為四盤區(qū)北翼膠輪車二巷，東部為運(yùn)煤聯(lián)絡(luò)巷（已掘），西部為43311 綜采工作面（正在布置），南部為工業(yè)廣場保護(hù)煤柱。43311 巷道設(shè)計長度為628.77 m，巷道開口位置在四盤區(qū)北翼膠輪車二巷與43311 巷出煤橫川交叉點(diǎn)位置處。43311 巷巷道整體中間高兩端低，巷道沿煤層傾向布置，掘進(jìn)坡度為1°～7°，巷道相對高差為12 m，掘進(jìn)中局部頂板節(jié)劈理發(fā)育，煤體疏松破碎。43311 巷掘進(jìn)至156 m 左右，可能揭露DX216 陷落柱，該陷落柱長軸約84 m，在巷道內(nèi)影響長度約20 m。

前期勘探探明煤層總厚度為5.73 m，煤質(zhì)以亮煤為主，呈黑色，塊狀及條帶狀結(jié)構(gòu)，暗煤次之，其中含鏡煤，金屬光澤，光亮型煤，其斷口呈參差狀，結(jié)構(gòu)簡單，夾矸為泥巖。巷道43311 設(shè)計斷面特征參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計斷面技術(shù)特征表

巷道頂?shù)装逄卣饕姳?。

表2 煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 支護(hù)方案

針對圍巖破碎、支護(hù)困難等問題，43311 巷道的支護(hù)方式采用高強(qiáng)度錨桿、錨索、菱形網(wǎng)、W 鋼護(hù)板、鋼筋托梁等聯(lián)合支護(hù)。

頂板和巷幫均采用桿體直徑Φ22 mm×2400 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼，500 號鋼材，桿尾螺紋為M24 的錨桿。錨桿的延伸率≥18%，錨固方式采用樹脂加長錨固，即采用兩支錨固劑，先放一支MSK2335 型錨固劑，再放一支MSZ2360 型錨固劑。鉆孔直徑選擇30 mm，孔深在2290～2310 mm 之間，錨固長度選擇1208 mm。錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，采用高強(qiáng)度拱形托板，設(shè)計要求力學(xué)性能與桿體一致，配合高強(qiáng)度托盤調(diào)心球墊和減磨墊圈、強(qiáng)力錨桿螺母。螺母的設(shè)計預(yù)緊力矩為400 N·m，設(shè)計錨固力為190 kN。

錨桿每排布置6 根，排距為1000 mm，間距為1000 mm，兩端錨桿距巷幫300 mm。錨桿垂直巷道頂板，角度偏差不超過±5°。

網(wǎng)片選用型號為LW10/50-1.2×3.5，采用10#鐵絲編織的菱形網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)格為50 mm×50 mm，其搭接方式為在網(wǎng)片之間采用后排網(wǎng)壓前排網(wǎng)方式搭接，搭接長度不小于100 mm，采用雙股聯(lián)網(wǎng)絲（16#鐵絲）捆扎，每米捆扎12 道，擰結(jié)5 圈，其錨索采用“1-1”布置方式。

3 支護(hù)參數(shù)校核

3.1 理論分析

根據(jù)43311 巷道的工作面技術(shù)特征以及支護(hù)的需要，利用工程類比法及現(xiàn)場經(jīng)驗選擇錨桿支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)頂板。根據(jù)本設(shè)計的支護(hù)理念，決定采用自然平衡拱原理作為錨桿支護(hù)設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，通過巷道圍巖層間的關(guān)系來確定巷道支護(hù)的錨桿參數(shù)。平衡拱理論認(rèn)為，煤礦巷道在開掘以后由于受到地應(yīng)力作用，煤層中圍巖層與層間的相互支撐連接關(guān)系被破壞，失去應(yīng)力支撐能力，隨著不斷向深部延伸，巷道圍巖穩(wěn)定性逐漸提高，從而形成自然平衡拱，達(dá)到整體圍巖穩(wěn)定的目的。普氏圍巖壓力計算模型如圖1。

圖1 普氏圍巖壓力計算模型

而普氏理論是在自然平衡拱理論的基礎(chǔ)上，作了如下兩點(diǎn)的假設(shè)：

（1）巖體由于節(jié)理的切割，經(jīng)開挖后形成松散巖體，但仍具有一定的粘結(jié)力；

（2）開挖后，硐頂巖體將形成一自然平衡拱。在硐室的側(cè)壁處，沿與側(cè)壁夾角為45°-θ/2 的方向產(chǎn)生兩個滑動面，其計算簡圖如圖1 所示。而作用在硐頂?shù)膰鷰r壓力僅是自然平衡拱內(nèi)的巖體自重。

3.2 支護(hù)參數(shù)校核

根據(jù)普氏理論和自然平衡拱理論以及兩個假設(shè)的基礎(chǔ)可以得到煤幫破壞深度 ：

式中：h為巷道高度，取3.6 m；θ為近似摩擦角，其表達(dá)式為θ=tg-1f；f是煤的普氏硬度系數(shù)，取0.9。

自然平衡拱高度b的表達(dá)式可以表示為：

式中：a為巷道寬度數(shù)值的一半，取2.8 m；f為頂板巖體的普氏硬度系數(shù)，粉砂巖的普氏硬度系數(shù)取4。錨桿的長度計算公式可以表示為：

式中：l1為錨桿的外露長度，取值0.1 m；l2為錨桿有效長度，取1.10 m；l3為錨桿深入基本頂長度，l3的長度計算在此分別用兩種方法：

（1）根據(jù)經(jīng)驗公式取值0.3～0.4 m。

（2）按照錨固粘結(jié)力與拉斷承載力關(guān)系計算，則有如下的關(guān)系：

式中：d為錨桿直徑；σt為錨桿抗拉強(qiáng)度，錨桿材質(zhì)為HRB500 鋼筋的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿；τc為粘結(jié)強(qiáng)度，一般取值為6 MPa。因此根據(jù)式（1～4）計算就可得到錨桿長度。

根據(jù)《采礦工程設(shè)計手冊》和《煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)》錨桿直徑計算公式為：

式中：d為錨桿的直徑，m；Q是錨桿錨固力，一般取現(xiàn)場拉拔力試驗數(shù)據(jù)的平均值或經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)《采礦工程設(shè)計手冊》和《煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)》錨索設(shè)計長度應(yīng)滿足：

式中：L為錨索的總長度；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，其計算公式為：

式中：K為安全系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗一般取2；d1為錨索直徑；fa為錨索抗拉強(qiáng)度；fc為錨索與錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，即為自然平衡拱的高度；Lc為托盤及錨具的厚度；Ld為外露升拉長度。

頂板懸頂面積計算公式為：

式中：A為懸頂?shù)拿娣e；Q為錨桿設(shè)計錨固力；r為被懸吊巖石容重；L2為冒落拱高度。

由式（1～8）可得巷道整體壓力，即自然平衡拱的高度、錨桿的長度、錨桿直徑和錨索長度以及錨桿間排距的計算結(jié)果，見表3。

表3 實際巷道設(shè)計值和理論計算值的對照

通過表3 可以得出：巷道43311 掘進(jìn)工作面選擇的斷面以及支護(hù)參數(shù)滿足巷道支護(hù)設(shè)計要求。

4 結(jié)論

針對圍巖破碎、支護(hù)困難等問題，根據(jù)巷道的技術(shù)特征和地質(zhì)條件，利用自然平衡拱原理對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行校核計算。校核計算結(jié)果表明巷道43311選擇的斷面以及支護(hù)參數(shù)均能夠滿足設(shè)計要求，能夠保證巷道整體穩(wěn)定性以及安全性。