半煤巖巷道聯(lián)合支護(hù)方案與應(yīng)用

安俊理

（山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048204）

引言

回風(fēng)大巷是采區(qū)各工作面重要的通風(fēng)和輔助運(yùn)輸通道，為采區(qū)工作面開采、設(shè)備運(yùn)輸提供了安全空間[1-3]?；谄浞?wù)年限相對(duì)長(zhǎng)，為保障各工作面安全開采，巷道需要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此需要確定合理的支護(hù)方案。本文根據(jù)寺河礦南區(qū)回風(fēng)大巷地質(zhì)條件，通過理論分析,結(jié)合以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定了合理的支護(hù)方案，并用于工程實(shí)踐。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

1 寺河礦工程概況

南區(qū)集中回風(fēng)巷主要服務(wù)于整個(gè)南區(qū)的行人、排水以及通風(fēng)和管線的敷設(shè)，巷道設(shè)計(jì)為直墻半圓拱，毛寬5 500 mm，毛高4 750 mm，凈寬5 200 mm，凈高4 500 mm，直墻毛高2 000 mm。回風(fēng)巷沿10號(hào)煤層及煤層頂板掘進(jìn)，煤層頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

2 支護(hù)思路

回風(fēng)大巷矩形斷面部分沿10號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，頂板賦存不穩(wěn)定，因此將不穩(wěn)定泥巖進(jìn)行懸吊在上覆穩(wěn)定巖層中，以增加軟弱巖層的穩(wěn)定性；拱形斷面部分沿10號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，基于巷道掘進(jìn)過程中需要穿越不同巖性的巖層，局部存在復(fù)合頂板，煤層及頂板巖層穩(wěn)定性有差異，因此需要通過錨桿及錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。此外回風(fēng)大巷主要為整個(gè)采區(qū)服務(wù)，服務(wù)年限較長(zhǎng)，需要長(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)，因此在錨桿支護(hù)后期應(yīng)對(duì)巷道進(jìn)行噴漿支護(hù)，進(jìn)一步改善巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。綜合分析初步確定使用錨桿(索）+噴漿支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)方案。

3 錨桿及錨索的參數(shù)計(jì)算與選型

3.1 錨桿

3.1.1 直徑

錨桿長(zhǎng)度按式（1）計(jì)算[4-5]：

式中：L桿為錨桿長(zhǎng)度，m；L桿1為錨桿外露長(zhǎng)度，取0.1 m；L桿2為錨桿的有效長(zhǎng)度；L桿3為錨固體有效錨固長(zhǎng)度，取0.5 m。

錨桿有效長(zhǎng)度按下式表示：

式中：m為加固拱厚度，取1.0 m；α為錨桿的控制角，根據(jù)巖石特性，取45°；a桿1為錨桿的間距，與排距a桿2近似相等，取平均值0.86 m；代入數(shù)據(jù)計(jì)算得L桿2=1.53 m。

代入各參數(shù)，得L桿=2.13 m。

根據(jù)上述分析，結(jié)合支護(hù)實(shí)踐，對(duì)錨桿進(jìn)行選型，確定頂錨桿直徑為20 mm，幫錨桿直徑為18 mm。

3.1.2 錨固力

巷道直墻區(qū)域錨桿錨固力Q桿直按下式計(jì)算：

式中：K1為安全系數(shù)，取2；γ為易冒落巖石平均重力密度，25 kN/m3。

經(jīng)計(jì)算得：Q桿直=58.58 kN

直墻區(qū)域上方拱形區(qū)域錨桿錨固力Q桿拱為：

式中：d桿為錨桿直徑，0.018 m；σs為錨桿材料的屈服強(qiáng)度，335 MPa。

經(jīng)計(jì)算，得Q桿≥85.2 kN。

3.2 錨索

3.2.1 長(zhǎng)度

錨索長(zhǎng)度L索按下式計(jì)算：

式中：L索1為錨索外露長(zhǎng)度，取0.3 m；L索2為有效長(zhǎng)度，取2.5 m；L索3為錨固長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取3.3 m；

代入各參數(shù)計(jì)算得L索=6.1 m。

根據(jù)以上公式計(jì)算得出錨索長(zhǎng)度應(yīng)不得小于6.1 m，考慮1.15的安全系數(shù)，應(yīng)將錨索長(zhǎng)度加長(zhǎng)至7 m，可以滿足支護(hù)強(qiáng)度要求。

3.2.2 間排距

根據(jù)錨桿布置方案，結(jié)合以往的支護(hù)實(shí)踐，確定錨索間距為3.0m，錨索排距a索2按下式計(jì)算：

式中：N索為錨索承載力，取405 kN；h為加固拱巖層厚度，取1.0 m；γ為加固拱巖層的平均重力密度，25 kN/m3。

計(jì)算得，a索2=2.7 m。

3.2.3 錨固力

錨索的錨固力Q索應(yīng)根據(jù)其承載力確定，滿足如下關(guān)系[6]：

式中：N索為錨索承載力，對(duì)于高強(qiáng)度鋼絞線，N索=405 kN。

即Q索≥405 kN

4 支護(hù)方案

巷道支護(hù)斷面如圖1所示。

根據(jù)上述錨桿及錨索選型與校核結(jié)果，結(jié)合以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定巷道支護(hù)方案如下：

巷道拱部區(qū)域使用Φ20 mm×2 500 mm型左旋螺紋鋼錨桿支護(hù)，每排布置9根錨桿，間距為910 mm，排距為900 mm；頂部錨索采用Φ18.9 mm×7 000 mm型高強(qiáng)度鋼絞線，每排布置2根，間距為3 000 mm，排距為2 700 mm。

直墻兩幫采用Φ18 mm×2 000 mm型左旋螺紋鋼錨桿，間距為910 mm，排距為900 mm。

永久支護(hù)后對(duì)巷道圍巖進(jìn)行進(jìn)一步噴漿支護(hù)，噴漿厚度為150 mm，漿體強(qiáng)度不低于C15。

5 應(yīng)用效果

南區(qū)回風(fēng)大巷掘進(jìn)期間采用隨掘隨錨的及時(shí)支護(hù)方式，掘進(jìn)兩排后及時(shí)打設(shè)錨桿及錨索，并在工作面后噴漿支護(hù)，并對(duì)底板進(jìn)行混凝土硬化，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋪設(shè)厚度為250 mm。

圖1 巷道支護(hù)斷面（單位：mm）

由圖2可知，在巷道掘進(jìn)60 d時(shí)間內(nèi)巷道變形量較大，之后逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，巷道穩(wěn)定后兩幫最大變形量約為56 mm，頂板最大變形量約為41 mm，底板最大變形量約為31 mm。巷道整體變形量較小，表明所確定的支護(hù)方案合理，巷道圍巖變形得到了有效控制，可以滿足安全生產(chǎn)要求。

圖2 巷道變形曲線