大斷面巷道圍巖支護設計研究

張 杰

（晉能集團太原有限公司，山西 太原 030000）

巷道支護是一項復雜的系統工程，在煤礦開采技術中占有較大比重，是井下安全生產的重要內容，而大斷面煤巷支護是巷道支護中較為困難的一種類型。由于巷道斷面積較大，巷道受圍巖應力影響相較小斷面巷道更為嚴重，支護難度更高。

三元煤業15號煤采用大斷面巷道布置，為做好巷道支護，根據礦井實際地質條件，運用多種理論計算方式，計算出開拓巷道、回采巷道合理的理論支護參數，為后續支護提供建設性意見。

1 工程背景

山西三元福達煤業股份有限公司是晉能集團所屬的煤炭生產企業，15號煤層巷道斷面達18m2以上，屬于大斷面巷道支護，主要分為開拓巷道和回采巷道兩類。開拓巷道由于巷道服務范圍大，服務年限長，擬采用錨＋網＋噴支護方案。回采巷道由于僅服務于相應工作面，服務年限較短，擬采用錨桿加網支護方案。所有巷道均沿頂板掘進布置，保持巷道頂板完整性。

15號煤層開拓巷道和回采巷道斷面尺寸見表1。

表1 兩類巷道斷面尺寸表

2 理論計算

2.1 經驗公式計算

（1）錨桿長度

式中：

W—巷道寬帶，開拓巷道4.5m，回采巷道4.2m；

N—圍巖影響系數（15號煤層圍巖為Ⅱ類穩定圍巖，取1.0）。

（2）錨桿間距

式中：

M-錨桿的間距，m。

（3）錨桿直徑

式中：

d-錨桿直徑，m。

利用上式計算錨桿支護參數，計算得出開拓巷道錨桿長度為1.95m，直徑17.73mm，間距≤1.0m；回采巷道錨桿總長度為1.90m，直徑17.27mm，間距≤1.0m。

2.2 工程類比分析

利用工程類比法，對比工程實踐經驗，選擇最為合理的設計方案。該礦15號煤頂部為平均厚度7.60m的石灰巖，屬Ⅰ類穩定頂板，無需進行頂部支護，主要對兩幫進行支護，支護參數見表2。

表2 巷道支護工程類比結果表

2.3 極限平衡區理論分析

（1）設計理論依據

① 巷道理論半徑的確定

計算巷道理論半徑 公式為：

式中：

S-巷道斷面積，開拓巷道為18.0m2，回采巷道為18.5 m2；

kx-巷道斷面積修正系數，取值1.2。

根據以上公式，得出開拓巷道當量半徑為2.87m，理論半徑為3.04m；回采巷道當量半徑為2.91m，理論半徑為3.12m。

② 極限平衡區深入巷道圍巖深度的確定

極限平衡區半徑R計算公式為：

式中：

γ—上覆巖層體積質量，取值為2.71g/cm3；

H-巷道埋深，m；

Pi-支護阻力，MPa；

K1-采動影響系數，一般為1～3；

K2-巖體力學參數修正系數，一般為1～2.5。

巷道周邊位移計算公式為：

式中：

a-巷道理論半徑，m；

u-巷道周邊位移，m；

E-彈性模量，取26.4GPa；

φ-煤巖內摩擦角，取40°。

極限平衡區深入圍巖的深度計算公式為：

對于15號煤層的開拓巷道和回采巷道，其物理力學參數以15號煤層及其頂底板為主，按平均埋深200m考慮，忽略支護阻力對極限平衡的影響。由此所得巷道極限平衡區各項參數計算結果見表3所示。

表3 極限平衡區各項參數計算結果表

（2）巷道圍巖錨桿支護參數設計

① 錨桿的長度

式中：

L1-錨桿錨固長度，m；

L2-錨桿外露長度，取0.1m。

實際選用的錨固長度 應為兩者中的較大者，并考慮到一定的攪拌不均勻系數，可以得到下式：

式中：

Kj-攪拌不均勻系數，1.2～1.5，此處取值Kj=1.5；

L'1-發生在錨桿表面處錨固長度，mm，計算公式為：

式中：

dj-錨桿直徑，mm；τj-粘結劑同錨桿的粘結強度，一般取8MPa；

L''1—發生在鉆孔巖壁處的錨固段長度，mm，計算公式為：

式中：

dy-鉆孔直徑，mm；

τy-粘結劑同鉆孔間的粘結強度，一般取5MPa。

② 錨桿直徑D與間排距

支護最大載荷密度qd為：

式中：

h-巷道的半高，m。

錨桿直徑與錨桿支護范圍的面積S（S=H×I間距×排距）及所承受載荷有密切關系，關系式如下：

式中：

D-錨桿直徑，mm；

[σ]-桿體承載強度，MPa。

錨桿直徑與間排距的關系如下：

計算得錨桿參數為：開拓巷道錨桿長度1.8m，直徑16mm，間排距1.0×1.0m，錨固長度不小于0.81m；回采巷道錨桿長度2.0m，直徑18mm，間排距0.8×0.8m，錨固長度不小于0.93m。

3 巷道支護參數理論確定

該礦15號煤頂板為平均厚度為7.6m的石灰巖，巖石抗壓強度為110MPa，針對其頂板特性，設計15號煤層開拓巷道和回采巷道頂板皆不進行支護，為避免頂板巖石受風化或采動影響發生脫落現象，設計鋪設錨網。利用錨桿對錨網進行固定，頂錨桿采用直徑16～18mm、長度為1.8m的錨桿，間排距為1.6m×0.8m。

巷幫由于其賦存較為破碎，經過以上多種理論計算方法，并根據計算結果進行分析確定，錨桿長度取值在2.0～2.4m，直徑取值在16～20mm，錨桿間排距采用0.8×0.8m和1.0×1.0m兩種規格，確定錨固長度不低于0.63m，取一定安全系數，最終取值為0.8m。

根據以上理論參數，結合同類礦井工程經驗類比，初步確定的兩幫支護參數見表4。

表4 巷道兩幫錨桿支護選取表

4 支護效果

部分巷道支護示意圖如下圖1所示。

圖1 運輸順槽支護圖

該礦井15號煤層開拓及回采巷道在實際施工中，采用本次支護設計參數進行巷道支護，進行后期監測發現：

（1）開拓巷道頂板下沉量為45mm，兩幫移近量為64mm，整體巷道變形量很小，變形速率較為平緩。

（2）回采巷道由于回采的原因，巷道變形較大。經監測，巷道變形最大處位于工作面到工作面前方25m范圍內，且這一區域變形較為劇烈，變形速率較快。頂板最大下沉量為164mm，兩幫最大移近量為208mm，整體巷道變形在可控范圍內，支護效果明顯，可以滿足巷道服務要求。