“斷層+背向斜”構(gòu)造條件下工作面巷道支護(hù)技術(shù)研究

李永剛

（陽(yáng)煤集團(tuán)華陽(yáng)新材料科技有限責(zé)任公司新元公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

1 概況

陽(yáng)煤集團(tuán)新元公司31006 工作面的31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷由西向東布置，西鄰集中回風(fēng)大巷（西）、集中膠帶大巷、集中輔運(yùn)大巷、集中回風(fēng)大巷（東）、新補(bǔ)輔運(yùn)巷，北鄰31004 工作面（正布置）。31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)全長(zhǎng)3 227.8 m，煤層傾角2o～5o，平均3o，煤層厚度2.50～3.30 m，平均2.93 m。

根據(jù)三維地震資料，31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷總體為寬緩的向、背斜構(gòu)造影響區(qū)，該面圈定兩個(gè)向斜、兩個(gè)背斜構(gòu)造及3 條正斷層；31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷依次施工至704 m、1396 m 可能存在JX4、JX5 陷落柱。31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷沿3#煤層頂板掘進(jìn)，采用綜掘工藝，掘一排、支護(hù)一排。

2 輔助進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案

2.1 巷道斷面及支護(hù)形式

根據(jù)對(duì)3#煤層頂板礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和頂板支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為滿足31006 工作面通風(fēng)要求，初步設(shè)計(jì)31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷為矩形斷面，頂部支護(hù)采用W鋼帶、金屬網(wǎng)、錨索、錨桿聯(lián)合支護(hù)，幫部采用金屬網(wǎng)、錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。巷道斷面特征見表1。

表1 巷道斷面特征表

2.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 錨索支護(hù)參數(shù)

（1）在驗(yàn)算錨索支護(hù)理論的過程中，需要將懸吊理論作為主要內(nèi)容。通過這種方式可以避免巷道頂板冒落。使用以下公式：

式中：G 為錨索所承擔(dān)的危石或者離層巖層的重量，kN，在計(jì)算的過程中需要確保離層巖層厚度大于或等于一半的巷道寬度，此處選擇3.0 m；K 代表的是安全系數(shù)，通常其取值為2；n 代表的是錨索根數(shù)；γ 代表的是巖石容重，26.7 kN/m3；A 代表的是錨索所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)承載力，N。

G進(jìn)風(fēng)= h·S·γ =5.2×3.2×1×26.7=444.29 kN

G回風(fēng)= h·S·γ =5.6×3.5×1×26.7=523.32 kN

(3)從節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，2010-2016年河南省各節(jié)點(diǎn)城市的程度中心度普遍提高，旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系不斷增強(qiáng)，但是城市間的旅游交往能力差異性較大，其中鄭州、洛陽(yáng)、開封與其他城市旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系最為頻繁，是河南省旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系交往的關(guān)鍵樞紐。此外，隨著各個(gè)節(jié)點(diǎn)城市旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的可進(jìn)入性普遍提高，城市間旅游經(jīng)濟(jì)距離捷徑化，邊緣城市的作用得到發(fā)揮。近7年間鄭州的中介中心度一直居于首位，表明鄭州市的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)開放程度較高，對(duì)其他城市的控制力最強(qiáng)，但是如果過度依賴鄭州的中介作用，又會(huì)使整個(gè)旅游經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有脆弱性。

KG進(jìn)風(fēng)=2×444.29=888.58 kN

KG回風(fēng)=2×523.32=1 046.64 kN

N進(jìn)風(fēng)≥K·G/A=888.58/550=1.6 根

N回風(fēng)≥K·G/A=1 046.64/550=1.9 根

由K·G ≤n·A 知道：31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷平均一排有6 根＞1.6 根；經(jīng)過計(jì)算以后得出最終得到的根數(shù)能夠滿足相關(guān)要求。

（2）利用“組合梁”懸吊理論對(duì)不同錨索之間的距離進(jìn)行校核。

為了避免巷道頂板巖脫落，可每排設(shè)置6 根Φ21.6 mm×8300 mm 鋼絞線，借助于用錨桿加固而成的“組合梁”，將其懸掛在堅(jiān)硬巖層上，然后再對(duì)錨索之間的距離進(jìn)行核驗(yàn)。如果不考慮內(nèi)摩擦力，不考慮巖體粘結(jié)力，在垂直方向上達(dá)到力平衡以后，對(duì)錨索間距的計(jì)算可以通過下列公式：

式中：L 代表的是錨索間距，m；B 代表的是巷道冒落寬度的最大值，取值為5.2 m；H 代表巷道冒落高度，結(jié)合冒落高度的最嚴(yán)重值取3.2 m；γ 代表的是巖體比重，26.7 kN/m3；L1代表的是排距1.1 m；F1代表的是錨桿錨固力190 kN；F2代表的是錨索極限承載力，最終取值550 kN；θ 代表的是巷道頂板與角錨桿垂直；n 代表的是錨索排數(shù)，取值為1。

實(shí)際所選擇的錨索間距0.9 m/1.0 m 比L 小，設(shè)計(jì)的錨索參數(shù)與相關(guān)的設(shè)計(jì)要求相符。

2.2.2 錨桿支護(hù)參數(shù)

（1）校核錨桿長(zhǎng)度

為了實(shí)現(xiàn)支護(hù)的目的，可以借助于錨桿對(duì)幫體進(jìn)行加固，需要滿足的條件為L(zhǎng) ≥L1+L2+L3。

式中：L 代表的是錨桿長(zhǎng)度總值，mm；L1代表的是錨桿外露長(zhǎng)度（W 鋼帶+托板+螺母的總厚度，幫錨桿取值等于140 mm）；L2代表的是有效長(zhǎng)度（對(duì)于幫錨桿而言，煤幫破碎深度等于c）；L3代表的是錨入巖層內(nèi)深度（幫錨桿取值等于800 mm，錨桿取值等于800 mm）。

式中：B、H 代表的是巷道掘進(jìn)所對(duì)應(yīng)的高度和跨度，取值H=3200/3500 mm，Bmax=5200/5600 mm；f頂代表的是頂板巖石所對(duì)應(yīng)的普氏系數(shù)，f頂?shù)娜≈档扔?；ω幫代表的是兩幫圍巖所對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角，ω 得71.56°。

使用以上公式經(jīng)過計(jì)算以后可以得到：

頂錨桿長(zhǎng)L進(jìn)風(fēng)頂=70+1 039.5+800=1 907.5 mm；

幫錨桿長(zhǎng)L進(jìn)風(fēng)幫=140+518.4+800=1 458.4 mm。

根據(jù)實(shí)際情況可知，幫錨桿長(zhǎng)度都等于2400 mm，設(shè)計(jì)采用的幫錨桿和頂錨桿長(zhǎng)度都符合相關(guān)要求。

（2）幫錨桿和校核頂之間的排距、間距應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：

式中：a 代表的是錨桿間、排距，m；G 代表的是錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kN/根；k 代表的是安全系數(shù)，通常情況下取值為2；L2代表的是有效長(zhǎng)度（頂錨桿取值等于b，幫錨桿的取值等于c）；γ 代表的是巖體容重，取26.7 kN/m3。

頂、幫錨桿間、排距為0.9 m、1.0 m、1.1 m＜a，頂、幫錨桿間、排距都與校核等相關(guān)計(jì)算要求相符。

2.3 支護(hù)方案

頂部采用6 眼5.0 mW 鋼帶，每排鋼帶眼內(nèi)打6 根Φ22 mm×2400 mm 錨桿，每排鋼帶中間打設(shè)3 根Φ21.6 mm×8300 mm 錨索，下一排鋼帶中間打設(shè)4 根Φ21.6 mm×8300 mm 錨索，采用3/4 錨索布置，錨索排距為1100 mm，間距為1200 mm，全都垂直頂板巖層打設(shè)。采幫和煤柱幫每排布置3根Φ20 mm×2400 mm 錨桿，第一根幫錨桿距頂為400 mm，第三根幫錨桿距底400 mm，排距、間距1100 mm；煤柱幫每排布置2 根Φ17.8 mm×4200 mm 錨索，錨索間距1200 mm，排距1100 mm，第一根幫錨索距頂800 mm，第二根幫錨索距底板1200 mm。在打設(shè)的過程中，安裝角度以及布置錨索、鋼帶等的方式參考圖2。

圖2 31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷斷面支護(hù)圖（1:100）

3 支護(hù)效果

為了驗(yàn)證31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷的支護(hù)效果，在巷道100～500 m 范圍分為兩段進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)，并布置了巷道變形測(cè)試儀，對(duì)巷道頂?shù)装?、兩幫變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直觀了解巷道支護(hù)效果。100～400 m 范圍采用上述巷道支護(hù)技術(shù)，在400～500 m 范圍內(nèi)采用傳統(tǒng)的巷道支護(hù)方式。通過60 d 的觀測(cè)，對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出如圖3 所示的巷道表面變形觀測(cè)曲線圖。

圖 3 巷道頂板及巷道兩側(cè)變形觀測(cè)曲線

根據(jù)圖3 中曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看，在31006 輔助進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)的前10 d 內(nèi)巷道頂?shù)装宓淖冃瘟繛?2 mm，巷道兩幫的變形量為73 mm?？梢缘贸鱿锏理?shù)装宓淖冃瘟窟h(yuǎn)遠(yuǎn)小于巷道兩幫的變形量，變形速度較快。隨著工作面的回采，在20 d 內(nèi)，兩幫的變形量也大于頂板變形量，但是變形的速度變慢。20 d 以后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃乌厔?shì)較慢，直至穩(wěn)定。最終的兩幫變形量為120 mm，頂?shù)装宓淖冃瘟繛?0 mm，并通過與采用原有傳統(tǒng)支護(hù)方式比較發(fā)現(xiàn)，兩幫的變形量為146 mm，相較使用新的支護(hù)方式后變形量減小18%，而頂板的變形量為87 mm，相較使用新的支護(hù)方式后變形量減小17%。比較分析得出，巷道頂板和兩幫均得到了有效控制。