陽坡泉煤礦10號煤層回采巷道支護設計

黃慶國，李淑珍

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003；2.山西大同大學新平旺校區圖書館，山西大同 037003）

近年來我國煤礦生產規模和開采強度與日俱增，回采巷道的斷面尺寸持續增加，隨之而來的是由于巷道尺寸加大導致巷道圍巖控制難度提升，大斷面的回采巷道在原巖應力和采動應力的雙重作用下變形加劇，冒頂事故時有發生，導致巷道嚴重片幫，控頂高度加大，回采巷道的支護成本和維修費用增加，嚴重影響煤礦安全生產和效益提升[1-3]。錨桿、錨索聯合支護已是這類巷道安全可靠的支護形式，首先要科學合理的確定支護參數，其次要保證錨桿錨索的施工質量達到設計要求，否則會導致巷道圍巖破壞失穩而發生冒頂事故的重大安全生產隱患[4-7]。以陽坡泉煤礦10號煤層回采巷道支護設計為工程背景，分析了煤層的賦存條件和現有回采巷道的使用現狀，通過理論計算得出了巷道兩幫和頂板的松動破壞范圍，在此基礎上提出了合理的巷道支護形式和支護參數。

1 巷道工程條件

陽坡泉煤礦設計回采巷道位于該礦首采區104綜采工作面，該采區開采10號煤層，屬于穩定厚煤層；煤層結構簡單，節理發育。煤層位于二疊系太原組上部，煤層厚度1.96 m～7.38 m，厚度變化大，平均厚度4.28 m，結構復雜，含0～4層夾矸，穩定可采，煤層傾角3～10°(依據礦井初步設計)。10號煤層的直接頂板為平均厚度為6.05 m的砂質泥巖，泥巖之上為平均厚度0.71 m的9號煤層，9號煤層之上為平均厚度3 m的中細砂巖，砂巖之上是4 m的泥巖，泥巖之上為平均厚度達到12.80 m的S4砂巖。10號煤層底板為平均厚度12.01m的泥巖。煤層綜合柱狀，見圖1。

圖1 煤層綜合柱狀圖

本采區10號煤層煤的物理力學參數沒有試驗數據，參照周邊類似賦存條件的煤層，煤的容重1.36～1.66 t/m3，煤層硬度系數2，單向抗壓強度為5.21 MPa，煤層的內摩擦角為42.5°，屬于較軟煤層。

2 回采巷道支護現狀及新設計巷道斷面尺寸

目前，10號煤層綜采工作面回采巷道支護形式為錨桿、錨索、菱形金屬網（頂網）聯合支護（巷道兩幫無支護），錨桿桿體Φ16 mm，錨桿長度1 800 mm，錨桿間距為1.15～1.25 m；錨索規格為Φ15.24×8 000 mm，錨索間距2 m，排距3 m。巷道兩幫無支護。

現封閉的10105綜采面順槽密閉墻外煤壁有片幫，范圍不大，有小面積的幾處，頂板鋪的菱形網，無鋼帶、無梯子梁，也沒有發現有離層現象，個別地方有頂煤掉包現象，其他支護方面隱患沒發現。

10號煤層強度低，新設計順槽巷道的直接頂板為平均厚度0.78 m的頂煤，頂煤之上是砂質泥巖，抗壓強度低，上覆0.71 m厚的9號煤層，屬于符合頂板，巷道存在支護困難，巷道圍巖變形量大、受采動影響大。根據井下實際情況和松軟圍巖的錨固支護理論研究成果及10號煤層圍巖狀況進行10號煤層回采巷道頂板錨固支護設計，回采巷道選擇“金屬網＋預應力錨桿＋W鋼帶＋錨索補強”聯合錨固支護方式。

陽坡泉煤礦生產能力由300 kt/a增加到1 200 kt/a，全部更新了掘進及采煤設備。原有的回采巷道滿足不了生產能力提升后煤炭運輸、設備材料運輸、通風安全的要求，回采巷道設計斷面由4.4×3.0 m提高到5.0×3.5 m，為此需要對增大斷面后的運輸和回風平巷進行支護形式和支護參數的設計，以保證回采工作面的安全生產、運輸和通風要求。陽坡泉煤礦新設計綜采工作面順槽巷道斷面形狀參數，見表1。

表1 新設計回采巷道形狀及尺寸

3 陽坡泉煤礦10號煤層巷道支護參數計算

理論研究、地質雷達探測和數值模擬表明，煤層巷道圍巖破壞的區域呈現拱狀，巷道破壞范圍輪廓可近似簡化拱狀結構，見圖2。

圖2 煤巷定量設計模型

根據煤層柱狀圖和頂板巖層分布狀態分析，陽坡泉煤礦10號煤層巷道頂板有頂煤層0.78 m，其上為泥巖，巷道寬度5.0 m，對于這種復合的頂板只使用錨桿支護很難起到安全有效加固作用，必須選用較長的預應力錨索與錨桿聯合加固方案。

3.1 巷道頂、幫破壞區域分析

（1）巷道兩幫破壞范圍。陽坡泉煤礦回采巷道直接頂為頂煤，其上是砂質泥巖，構成復合頂板，其垮落形狀為拱形，見圖3。

圖3 巷道頂幫破壞區域圖

回采巷道兩幫形成的破壞范圍按下式確定：

式中：Kc為巷道周邊擠壓應力系數，一般取3.0；γ為巷道巖層的平均容重；K為采動影響系數；σm為煤幫單向抗壓強度，MPa；h為巷道高度，m；H為埋深，m；?為煤層內摩擦角，（°）。

當寬高比5.0/3.50＝1.428時，KC=3.0；10號煤層煤的容重的最大值γ=1.66 kN/m3，兩側為實體煤，取K=1；煤的單向抗壓強度σm=5.21 MPa；煤層的內摩擦角?=42.5°；巷道高度h=3.50 m；根據本礦ZK51-1鉆孔推斷巷道最大埋深為H＝165 m。

將上述參數代入式中得：

（2）巷道圍巖最大破壞范圍可按下式預計：

式中：fm為幫煤的普氏系數；a為巷道的半跨距，m。

將fm＝2.0，a＝2.50 m，c＝0.89 m代入得：

3.2 錨桿支護參數

（1）幫錨桿長度。煤層巷道兩幫的支護位置，可取在破壞范圍的2/3處，作為兩幫錨桿支護長度的最小值，巷道兩幫的全部破壞范圍作為支護長度的最大值。因此，為了安全考慮，兩幫錨桿有效錨固范圍取其破壞范圍的最大值，慮到外露部分長度需要0.2 m，幫錨桿長度實際選用1.80 m。

（2）頂錨桿長度。同樣，沿著支護合力作用點為端點形成的拱高b1作為頂板錨桿支護最短長度，頂板在支護條件下全松動范圍拱高作為錨桿支護的最大長度，頂板錨桿有效長度為1.15～1.70 m，取最大值并考慮外露端長度0.2 m，則頂板錨桿的實際長度取為2.0 m。

（3）錨固長度與錨固劑。陽坡泉煤礦回采巷道錨桿支護設計選擇錨桿桿體公稱直徑為22 mm，錨桿的錨固力190 kN，極限拉斷力為265 kN，延伸率為17%，桿尾螺紋規格為M24 mm。配套高強度拱型托板，力學性能與錨桿桿體配套，拱型托板規格為150×150×10 mm，并與W形鋼帶配套。設計錨固力取100 kN，頂板錨桿需要的錨固長度為：

式中：Pm為設計錨固力，取100 kN；R為錨桿孔半徑，取14 mm；τ為樹脂藥卷與鉆孔壁的粘結強度，取τ＝1.8 MPa。

需要的錨固藥卷長度：

式中：R1為錨桿桿體的半徑，取11 mm；R2為樹脂藥卷的半徑，取11.5 mm。

設計每根錨桿配套一支MSCK2355藥卷，藥卷總長550 mm，則實際的錨固長度為：

每根錨桿的實際錨固力為：

PM=2πRτL0=2×3.14×14×1.8×0.97=153 kN滿足要求。

（4）頂板錨桿間排距。巷道頂板錨桿布置數目要滿足兩個條件：首先是要完全承受拱內巖石重量，其次是要錨桿桿體的抗剪強度滿足要求。

為了平衡拱內巖石重量所需錨桿間排距S1可按下式計算：

式中：RT為錨桿的實際錨固力，取RT＝100 kN/根；k為安全系數，取k＝2；γ為頂板巖層平均密度，取γ＝25.0 kN/m3。

將上述參數代入得：

校核桿體抗剪強度所需錨桿間距S2可按下式計算：

式中：d為錨桿直徑，按Φ22 mm計算；k2為頂板抗剪安全系數，一般取k2＝2；P0為錨桿錨固力；τ為錨桿抗剪強度，根據所選錨桿技術參數為300 MPa；2a為巷道跨度，取2a＝5.0 m；l頂為頂板錨桿有效錨固長度；f為分層間摩擦系數數，取f＝0.3。

將上述參數及γ＝25.0 kN/m3、l頂＝0.97 m代入得：

取S1、S2的最小值作為頂板錨桿支護間排距，則有：

于是，頂板錨桿數目：5.0/1.15=4.35根，考慮到施工的方便及安全，頂板錨桿數目取5根，間排距選擇選取1 000 mm。幫錨桿的間距700 mm，排距750 mm，三排五花式布置。

3.3 錨索加固參數

陽坡泉煤礦綜采工作面順槽巷道錨索補強支護選擇KP19-1/1720普通型礦用錨索。錨索直徑為18.96 mm，鋼絞線抗拉強度為1 720 MPa。

（1）錨索長度、間距。陽坡泉煤礦10號煤層綜采工作面順槽巷道高度3.5 m，10號煤層平均厚度為4.28 m，巷道頂煤厚度約0.8 m，其上為6.08 m的泥巖，泥巖之上為2.0 m的中細砂巖。巷道支護錨索要在堅硬巖層保持一定的錨固長度，用以確保錨索的錨固力，針對陽坡泉煤礦回采巷道實際情況，確定錨索有效長度為8.0 m，錨索外露長度選取0.3 m，錨索總長度為8.30 m。10號煤層回采巷道支護錨索排距3.0 m，錨索間距1.50 m，沿回采巷道巷道頂板頂板垂直布置，能保證錨索錨固到回采巷道上部中細砂巖的長度為1.20 m左右。在實際應用時，要經常向巷道頂板打垂直鉆孔，探測頂板煤巖層厚度變化情況，以便隨時調整錨索的長度，保證錨固到細粒砂巖頂板的長度有保證，確保巷道支護的安全。

（2）錨索排距及錨固力。巷道支護中錨索加固支護的作用是維護巷道頂板下沉形成“內拱”的穩定。取間隔3排錨桿打1排錨索，錨索排距3.0 m，每根錨索的錨固力為：

即需每根錨索的錨固力不低于216.25 kN/根，選取的錨索滿足要求。

（3）錨索的預緊力。在巷道支護中實施預應力錨索支護時，錨索的預應力應是錨桿設計載荷值的1.0～1.3倍，故確定錨索的預應力為100 kN。

（4）錨固長度與錨固劑。設計選用錨索為高強度低松馳預應力鋼絞線，直徑18.90 mm，取Pm＝250 kN，τ＝3 MPa。則錨固長度為：

需要的錨固卷長度：

設計每根錨索配套一支CK2360藥卷和一支K2360藥卷（超快速藥卷在上部，快速藥卷在下部），藥卷總長1 200 mm，則實際的錨固長度為：

每根錨索的實際錨固力為：

PM=2πRτL0=2×3.14×14×3×1.48=390 kN

3.4 確定回采巷道錨桿、錨索支護參數

3.4.1 錨桿參數

（1）頂板錨桿。錨桿+W型鋼帶，錨桿長度2.20 m，桿體為Ф22 mm的左旋無縱筋螺紋鋼，設計每根錨桿配套一支CK2355，進行端部錨固，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm。W形鋼帶規格：厚度為3 mm，寬度為250 mm，長度為5 000 mm。錨桿角度：頂板錨桿安設角度垂直布置。

（2）兩幫。選擇普通螺紋鋼錨桿，長度為1 800 mm，直徑為18 mm，采用1支K3537樹脂藥卷，間、排距為700×750 mm，三排五花式布置。

3.4.2 錨索參數

單根鋼絞線，直徑為18.89 mm，長度為8 300 mm，每根錨索配套一支CK2360藥卷和一支K2360藥卷（超快速藥卷在上部，快速藥卷在下部），藥卷總長1 200 mm。錨索間距1.50 m，排距3.0 m。

根據陽坡泉煤礦10好煤層回采巷道的頂板情況，由于頂煤的存在導致符合頂板的形成，為確保巷道安全使用，要根據頂板變化情況，對錨索長度做出及時調整，使其錨固到巷道上部中細砂巖層的長度不小于1 000 mm。回采巷道錨固支護參數布置圖，見圖4、圖5。

圖4 10號煤層巷道頂板錨桿、錨索支護參數

圖5 10號煤層巷道幫錨桿支護參數

4 結語

按設計的10號煤層回采巷道支護形式和支護參數施工后，巷道兩幫移近量最大為150 mm，和巷道頂板下沉量最大為65 mm，回采巷道的維修工程量比設計前降低了50%，保證了綜采工作面的安全生產。