四臺礦14#煤層堅硬頂板下巷道支護參數(shù)設(shè)計

張 宏

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037003）

由于煤炭資源賦存條件所限，我國存在著大量井工開采的煤礦，這就需要在地下掘進大量的巷道，因此巷道支護技術(shù)成為保證礦井高效開采的關(guān)鍵因素之一[1-2]。國內(nèi)外專家進行了大量研究，主要形成了懸吊理論、組合梁理論、圍巖強度強化理論等眾多理論以及錨桿支護、錨索支護、型鋼支護等支護技術(shù)，推動了巷道圍巖控制理論和支護技術(shù)的發(fā)展[3-5]。

1 概況

四臺礦412 盤區(qū)81220 工作面開采煤層呈一背斜構(gòu)造，中部高東西低，煤層平均厚度1.8 m，平均傾角4.0°。工作面北部為21220 巷，正在開拓；南部為14#層81218 面，已開拓；西部為14#層412盤區(qū)巷；東部為南郊區(qū)高山煤礦。煤層直接頂為中粗砂巖互層結(jié)構(gòu)，巖層厚度1.01～15.0 m，平均厚度8.0 m；基本頂為砂頁巖互層結(jié)構(gòu)，巖層厚度10.73～12.95 m，平均厚度11.60 m；直接底為細砂巖，巖層厚度4.55～6.05 m，平均厚度5.30 m，局部為中粗砂巖。

51220 巷服務(wù)于81220 工作面，用于回風(fēng)、運料。巷道設(shè)計為矩形斷面，寬×高為4.5 m×2.7 m，沿14-2#煤層頂板掘進。當(dāng)煤層厚度不夠2.7 m 時，沿頂起底掘進；煤層厚度超過2.7 m 時，沿煤層頂板掘進。巷道開口處煤厚為2.0 m 左右，預(yù)計掘進至1685 m 處煤厚為1.60 m 左右，到位處煤層為1.80 m。

2 堅硬頂板下巷道支護參數(shù)設(shè)計

根據(jù)51220 巷道頂板直接頂為中粗砂巖互層，平均厚度達8.0 m，基本頂為砂頁巖互層，適合錨桿+鋼帶支護。同時，為了將錨桿加固的“組合梁”懸掛于堅硬巖層中，需用錨索做聯(lián)合支護。

2.1 支護參數(shù)合理選擇

根據(jù)相鄰巷道礦壓觀測數(shù)據(jù)及支護經(jīng)驗分析，初步確定51220 巷巷道頂板采用錨桿+W 型金屬鋼帶+錨索聯(lián)合支護，巷道兩幫采用錨桿+短鋼帶+菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。

錨桿使用直徑18 mm、長度1800 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距900 mm×1000 mm，配合鋼帶、拱形托盤；錨索采用直徑17.8 mm、長度4000 mm 的鋼絞線，排間距1200 mm×2000 mm，每排3 根，配套鋼板托盤、專用鎖具、墊圈等。

2.2 支護參數(shù)校核

2.2.1 錨桿支護參數(shù)校核

（1）錨桿長度校核

錨桿長度采用單體錨桿懸吊理論確定，錨桿長度L 需滿足公式（1）：

式中：l1表示錨桿外露長度，l2表示頂板巖層潛在破壞范圍，l3表示錨桿伸入穩(wěn)定巖層的長度。其中，l1取0.15 m；l2由巷道寬度和頂板堅固性系數(shù)確定，取0.45 m；l3由錨固粘結(jié)力和錨桿強度確定，取0.6 m。經(jīng)計算錨桿長度應(yīng)不小于1.2 m，設(shè)計采用的錨桿長度為1800 mm，滿足校核要求。

（2）錨桿直徑校核

錨桿直徑按照其桿體承載能力與承受的錨固力確定，錨桿直徑D 應(yīng)滿足公式（2）：

式中：Q 表示錨桿錨固力，根據(jù)現(xiàn)場拉拔測試結(jié)果，Q 取100 kN；σ 主要指錨桿桿體抗拉強度，桿體材料設(shè)計為普通低碳鋼，σ 取550 MPa。計算得到錨桿直徑不低于15.2 mm，設(shè)計采用的錨桿直徑為18 mm，滿足校核要求。

（3）錨桿間排距確定

錨桿間排距采用懸吊理論計算校核。假設(shè)采用設(shè)計的錨桿將不穩(wěn)定的軟弱頂板巖層懸吊至穩(wěn)定堅硬的頂板巖層，按懸吊理論計算，其間排距n 應(yīng)滿足公式（3）：

式中：n 表示錨桿間排距；Q 表示錨桿錨固力，根據(jù)現(xiàn)場拉拔測試結(jié)果，Q 取100 kN；γ 表示不穩(wěn)定的軟弱頂板巖層容重，2050 kg/m3；k 表示安全系數(shù)，取2.0；h 表示巷道頂板巖層破壞深度，取1300 mm。經(jīng)計算錨桿間排距n 應(yīng)小于1370 mm，設(shè)計采用的錨桿間排距為900 mm×1000 mm，滿足校核要求。

綜上所述，采用直徑18 mm、長度1800 mm左旋螺紋鋼錨桿，排間距900 mm×1000 mm，配套W 型鋼帶等相關(guān)支護組件，可以滿足14#煤層51220 巷巷道圍巖支護的要求。

2.2.2 錨索支護參數(shù)校核

（1）錨索長度校核

為加強錨桿錨固區(qū)域控制范圍和圍巖強度，降低頂板巖層冒落的可能性，采用預(yù)應(yīng)力錨索進行加強支護?；趹业趵碚摯_定錨索長度，錨索長度L需滿足公式（4）：

（2）錨索數(shù)量校核

一定數(shù)量的錨索聯(lián)合支護可有效的將不穩(wěn)定軟弱頂板巖層懸吊至穩(wěn)定頂板巖層，每排錨索的數(shù)量S 應(yīng)滿足公式（5）：

式中：K 表示安全系數(shù)，取2.0。W 表示所需懸吊的不穩(wěn)定軟弱頂板巖層重量，由巷道寬度a、懸吊軟弱巖層厚度h 和容重γ 以及錨索間排距d 確定，W=ahγd。其中a 取4500 mm，h 取2300 mm，γ 取2050 kg/m3，d 取2000 mm。經(jīng)計算可得W=424.35 kN。P 表示錨索的破斷載荷，直徑17.8 mm 的錨索的破斷載荷為345 kN。經(jīng)計算，每排錨索的數(shù)量S 應(yīng)不小于2.46。設(shè)計采用的錨索排間距為1200 mm×2000 mm，每排3 根，滿足校核要求。

綜上所述，采用直徑17.8 mm、長度4000 mm的錨索，排間距1200 mm×2000 mm，每排3 根，配套鋼板托盤、專用鎖具、墊圈等，可以滿足14#煤層51220 巷巷道圍巖支護的要求。

3 巷道圍巖控制效果分析

基于堅硬頂板下巷道支護參數(shù)設(shè)計與校核，最終確定了51220 巷支護參數(shù)，如圖1。將設(shè)計的參數(shù)應(yīng)用于試驗巷道，同時監(jiān)測巷道掘進時期圍巖表面的變形情況，圖2 給出了巷道變形曲線圖，巷道整體變形量較小，巷道掘進60 d 后，圍巖變形趨于穩(wěn)定，巷道頂?shù)装遄畲笠平考s52 mm，圍巖移近速度小于1 mm/d，巷道兩幫最大移近量約77 mm，圍巖移近速度小于1.5 mm/d。綜上，設(shè)計的51220巷支護參數(shù)合理，有效控制了圍巖變形，實現(xiàn)了堅硬頂板下巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

圖1 巷道支護斷面圖

圖2 巷道變形曲線圖

4 結(jié)論

錨桿支護具有控制效果好、成本低、施工簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于煤礦巷道支護。本文以四臺礦14#煤層堅硬頂板為背景，設(shè)計了堅硬頂板下巷道支護技術(shù)和參數(shù)，采用懸吊理論、強度校核等方法校核了錨桿長度、直徑、間排距以及錨索長度、數(shù)量的合理性?，F(xiàn)場應(yīng)用后，采用確定的支護技術(shù)和參數(shù)有效控制了14#煤層51220 巷圍巖變形，頂?shù)装鍑鷰r移近速度小于1 mm/d，兩幫圍巖移近速度小于1.5 mm/d，實現(xiàn)了堅硬頂板下巷道圍巖的穩(wěn)定控制。