馬蘭礦28312 工作面皮帶巷支護技術的研究

劉利斌

（西山煤電集團馬蘭礦， 山西 古交 030205）

引言

在煤炭開采時，受到礦山壓力和工作面推進影響，許多工作面巷道圍巖完整性受到破壞，變形較為嚴重，需針對具體的工作面地質環境進行巷道支護技術研究[1-3]。本文針對馬蘭礦28312 工作面皮帶巷頂底板具體地質條件進行支護技術研究。

1 工程概況

馬蘭礦隸屬于山西焦煤西山煤電集團公司，28312 工作面位于北三下組煤采區8 號煤左翼，皮帶巷南東側最小間距7.0 m 為下銜接水平采區邊界。工作面皮帶巷里程73～173 m，上部間隔77～82 m為22312 采空區，其中有積水15.2 萬m3，其他位置暫無工程。工作面呈單斜構造，傾角4°～13°，平均8°。

工作面所采煤層為石炭系太原組8 號煤層，屬近水平穩定可采厚煤層，煤層結構復雜，8 號煤厚3.80～4.50 m，平均4.10 m，本區煤層松散破碎，煤層普氏硬度1.7。28312 工作面頂底板巖性如表1所示。

2 巷道布置

表1 煤層頂底板情況表

28312 皮帶巷開口位于北三下組煤回風下山，工作面標高716～763 m，工程量350 m，工作面呈單斜構造，煤巖層傾角為4°～13°，平均8°。根據相鄰工作面巷道掘進經驗及本工作面巷道的使用功能，確定巷道采用矩形斷面，沿太原組8 號煤層跟頂施工。皮帶巷凈寬4.5 m，凈高3.5 m，凈斷面15.75 m2。

3 錨桿支護的設計計算

3.1 巷道破壞范圍及載荷的計算

3.1.1 巷道兩幫破壞深度C的計算

式中：σcc為所采煤層單向抗壓強度，取13 MPa；H為巷道所處埋深，取527 m；l為巷道切割煤層的寬度，取4.5 m；hc為巷道切割煤層的厚度，取3.5 m；μ 為煤層波松比，取0.45；γ 為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3；α 為煤層傾角，取8°；φ 為煤層內摩擦角，取52.43°；Kσ為應力集中系數，取2.125.

將以上數據代入公式，可得巷道兩幫破壞深度C=0.769 m。

3.1.2 巷道頂板破壞高度b的計算

式中：λ 為巷道側壓系數，取0.818；a為懸臂巖層半跨距，根據相鄰工作面實測取2.25 m；σcr為巷道頂板抗拉強度，取60 MPa；Ky為頂板巖層完整系數，取0.681。

將以上數據代入公式，可得巷道頂板破壞高度為0.697 m。

3.1.3 頂板載荷Qr的計算

式中：Ka為受臨近工作面采空區影響的系數，取0.924。代入數值計算得Qr=88.804 kN/m。

3.1.4 巷幫載荷Qs的計算

代入數據計算得Qs=21.868 kN/m。

3.2 巷道頂板錨桿的計算

3.2.1 頂板錨桿直徑d1計算

根據桿體承載力與錨固力等強度原則確定。

式中：σt為桿體材料抗拉強度，取340 MPa；Q為錨固力，取105 kN。

代入計算公式可得d1=19.739 mm，頂錨桿直徑取20 mm。

3.2.2 頂板錨桿長度Lbr的計算

式中：Δ 為錨固段長度與錨桿外露長度之和，根據相似工作面工程經驗，錨固段長度取0.812 m，錨桿外露長度取0.05 m。

代入計算公式可得Lbr=1.559 m，根據相似工作面支護經驗，頂錨桿長度取2.0 m。

3.2.3 頂板錨桿排距Dr的計算

式中：Pr為錨桿拉拔力，取105 kN；K1為安全系數，取2。

代入可得Dr=1.58 m，取1.2 m。

3.2.4 頂板每排錨桿個數N的計算

式中：K2為安全系數，取3。

代入數據計算得N=3.04 根，取4 根。

3.2.5 頂板錨桿的計算結果

綜上，可得巷道頂板錨桿采用直徑為20 mm、長度為2 m 的螺紋鋼錨桿，間排距為1 300 mm×1 200 mm，采用一個MSCKb2360 型和一個MSK2380 型樹脂錨固劑錨固。

3.3 巷道幫錨桿的計算

3.3.1 幫錨桿長度Lbs的計算

根據前文所述各參數取值，可以計算得到長度Lbs=1.631 m，取2.0 m。

3.3.2 幫錨桿直徑d2的計算

根據前文所述各參數取值，可以計算得到d2=198.739 m，取20 mm。

3.3.3 幫錨桿排距Ds的計算

式中：Ps為錨桿拉拔力，取105 kN；K3為安全系數，取5。

計算可得Ds=2.5 m，取1.2 m。

3.3.4 巷道幫部每排錨桿根數Ns的計算

式中：K4為安全系數，取5。

代入數據計算得Ns=1.25 根，考慮巷道受工作面采動影響，巷道幫部每排錨桿取3 根。

3.3.5 巷道幫錨桿計算結果

綜上，可得巷道幫部錨桿采用直徑為20 mm，長度為2 m 的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 200 mm，巷道兩幫支護形式確定為錨桿、金屬菱形網聯合支護。矩型布置，最上排錨桿距頂板400 mm。

4 錨索補強的計算

由于馬蘭礦28312 皮帶巷跨度較大，且受到工作面回采時容易造成巷道破壞范圍增大，導致支護失效。因此，設計對巷道頂板采用錨索補強支護。

4.1 錨索排距Lb 的計算

式中：T為錨索標準破壞載荷，取370 kN；K5為安全系數，取2；Q為巷道每米冒落拱內巖體重，取180 kN。

代入數據計算得Lb=3.14 m，根據計算結果和相似工作面開采支護經驗，錨索排距選取2.4 m。

4.2 錨索錨固段長度Lc 的計算

式中：P1為黏結強度，取10 N/mm2；K6為錨固安全系數，取2；d3為錨索直徑，21.6 mm。

代入可得Lc≥1 091 mm。

根據計算結果和相似工作面工程經驗，錨索錨固段長度取1 500 mm。

4.3 錨索長度L 的計算

式中：Lc為錨索錨固長度，取1.5 m；Ld為錨索外露長度，取0.25 m；b為頂板潛在離層厚度，取2.0 m。

代入可得頂板錨索長度為3.75 m，取5.2 m。

5 支護方案

綜上所述，馬蘭礦28312 工作面皮帶巷采用錨桿+錨索聯合支護方式：頂板采用4 根直徑為20 mm，長度為2 m 的螺紋鋼錨桿，間排距1 300×1 200 mm。兩幫采用3 根直徑為20 mm，長度為2 m 的螺紋鋼錨桿，幫錨桿間排距1 000 mm×1 200 mm。頂錨索采用直徑為17.8 mm，長度為5 200 mm 的高強度預應力鋼絞線，排距2.4 m，每排布置一根，布置于兩排頂錨桿中間。支護方式如圖1 所示。

圖1 支護方式示意圖

6 工業試驗

28312 采用如上支護技術方案進行支護工作，為研究以上方案參數的合理性及巷道圍巖的變形量，在巷道每隔50 m 設置一個測站，利用LBY-3 本安型圍巖位移測定儀對巷道圍巖變形進行監測。分別記錄巷道兩幫及頂底板變形量。

由圖2 可知，在工作面回采期間，兩幫移近量穩定在114 mm，頂底板移近量穩定在57 mm，完全可以保證巷道的安全穩定，保障工作面的正常回采需求。

7 結論

1）針對馬蘭礦28312 工作面巷道支護等問題，設計巷道采用矩形斷面，斷面尺寸為4.5 m×3.5 m；根據相似巷道支護經驗選用錨桿+錨索聯合支護方式。

2）理論計算得出的錨桿錨索參數：頂錨桿采用間排距為1 300 mm×1 200 mm、Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿；幫錨桿采用間排距為1 000 mm×1 200 mm、Φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼全長樹脂錨固錨桿；錨索采用直徑為17.8 mm，長度為5 200 mm 的高強度預應力鋼絞線，每排布置1 根錨索。

3）通過現場工作面實際應用變形量監測，證明了此支護方案可以保證28312 皮帶巷的安全穩定。

圖2 巷道變形量分析