采空區下大斷面運輸巷道支護參數優化選擇

韓棟棟

（山西忻州神達集團晉保煤業有限公司，山西 保德 036600）

提高巷道穩定性的高效低成本方式之一是錨桿（索）支護。地質構造、錨固劑和巖體黏結性能、錨桿（索）材質、支護參數等因素直接決定了錨固效果，支護設計方案和參數主要以工程經驗為主，存在很大的不確定性和盲目性[1]。因此，本文以晉保煤礦采空區下大斷面13102 運輸順槽巷道為工程背景，通過分析巷道失穩破壞原因，對大斷面巷道的支護參數進一步進行設計優化。

1 工程概況

13102運輸巷道位于井田西南部，東部為實體煤，南部為相鄰煤礦井田，西部為13101 回風巷，北部為二水平輔運下山，掘進工作面沿13#煤上分層推進。13#煤上分層頂板為砂質泥巖，底板為泥巖、粉砂巖；13102 運輸巷道斷面為矩形，尺寸為4 m×5.7 m，傾角10°～13°；13#煤上分層距地表的深度為380 m，巷道上方53.8 m存在8#煤采空區；巷道沿13#煤上分層煤層掘進，總工程量1 476 m。巷道頂底板參數見表1。

表1 巷道頂底板物理力學參數

由于13102 運輸順槽巷道上覆采空區，使巷道整體受力不均，在兩幫處受不均布載荷產生的彎扭破壞，較上覆無采空區巷道兩幫更易發生變形破壞；13102 運輸巷道屬于大斷面巷道（5 700 mm×4 000 mm），頂板下部受彎矩產生的拉應力作用（巷道寬度越大產生的拉應力越大），且巷道寬度較大，更易發生變形破壞；因此，需通過計算優化錨索網支護參數，以提升巷道穩定性。

2 支護分析

當開掘巷道后，頂板呈現固支梁的力學結構[2]。經過一段時間，梁向下彎曲，巷道形成拱狀結構，巷道兩幫將承受彎扭共同作用，向內彎曲[2]。因此，在掘進巷道過程中，選擇恰當的支護類型是十分重要的。

圖1 巷道受力變形

目前巷道的支護方式主要有錨桿支護、錨索支護等。

錨桿支護，錨桿通過將破碎圍巖懸吊于上部穩定巖層中以此來提高圍巖整體的抵抗破壞的能力[3]；錨索支護，將巖層受到破壞產生變形碎裂的部分吊掛在巷道頂部，以免頂部繼續發生不可逆變形破壞；錨網索協同支護，一邊通過錨桿深入圍巖來提高頂部巖層抵抗破壞的能力，一邊通過錨索懸吊破碎巖塊抑制頂部破壞，同時防止頂部繼續破壞[4]。

錨網索協同支護可有效提升巷道穩定性。在錨桿、錨索協同支護條件下，優化選擇錨桿和錨索支護參數非常重要。

3 支護參數優化

3.1 巷道圍巖破壞范圍

（1）巷道幫部破壞深度C，由式（1）確定：

式中：Kc為運輸巷道的應力集中系數（巷道受周邊擠壓發生應力集中），1.8；γ為巷道頂板巖土層的平均容重，23 kN/m3；H為運輸巷道距地表的深度，380 m；B為采動對巷道穩定性的影響系數，1.6；fy為巷道煤幫普氏系數，2；h為巷道的高度，4 m；φ為巷道圍巖內摩擦角，24°； 代入計算得出巷道兩幫破壞深度為0.67 m。

（2）頂板圍巖破壞范圍b，由式（2）得出：

式中：a為巷道中心到巷道壁的距離，2.85 m；α為煤層的傾角，12°；fm為頂板巷道上部直接頂的普氏系數，3； 代入計算得出巷道直接頂的破壞深度為1.147 m。

從安全方面考慮，給圍巖破壞深度乘安全系數（取1.1），頂板破壞深度為1.261 m，兩幫破壞深度為0.737 m。

3.2 錨桿參數

（1）錨桿直徑

頂部錨桿直徑選擇20 mm，幫部錨桿直徑選擇18 mm。

（2）錨固力

頂錨桿錨固力計算:

式中：N為頂部錨桿錨固力，kN；Q為頂部錨桿設計錨固力，kN；d為錨桿直徑，mm；σs為螺紋鋼桿體的抗拉屈服極限，345 MPa；代入計算確定直徑為18 mm錨桿錨固力為79 kN，直徑為20 mm錨桿錨固力為97.5 kN。

（3）錨桿長度

錨桿的主要作用是將巷道破碎的巖體與完整巖體錨固為一個整體，提升圍巖自身的抵抗破壞的能力，錨桿長度計算：

式中：L1為錨桿外露長度，0.15 m；L2為錨桿有效長度（頂部錨桿取1.261 m，幫部錨桿取0.737 m）；L3為錨固長度，m。

錨固長度應同時滿足式（6）、（7）：

式中：k為安全系數，1.1；d為錨桿直徑，mm；D為鉆孔直徑，26 mm；fst為螺紋鋼桿體的極限抗拉強度，510 MPa；fcr為錨固劑與圍巖的黏結強度，3 MPa；fcs為錨固劑與金屬桿黏結強度，5 MPa；代入計算可得頂部錨固段長度應大于0.719 m，幫部錨固段長度應大于0.582 m。

計算可得頂部錨桿長度應大于0.15+1.261+0.719=2.13 m； 幫部錨桿長度應大于0.15+0.737+0.582=1.469 m。頂部錨桿與幫部錨桿可選擇相同長度，所以錨桿長度取2.2 m。

（4）錨桿間排距

綜合考慮錨桿抗拉與抗剪強度，錨桿間距計算：

式中：K為富余系數，1.5；q1為所支護頂部巖層的均布載荷，MPa。

所支護頂部巖層的均布載荷可由式（9）得出：

代入計算得所支護巖層的均布載荷為50.6 MPa；代入數據計算得錨桿抗拉所需間距應小于1.01 m。取錨桿間排距為0.9 m×0.9 m。

3.3 錨索參數

（1）錨索長度

式中：La為錨固段長度，m；Lb為支護巖層的層厚，3.75 m；Lc為錨索外漏及托盤長度，0.25 m；錨固長度可由式（11）得出：

式中：d1為錨索直徑，17.8 mm；fa為錨索抗拉強度，1 860 MPa；fc為錨索與錨固劑粘合強度，3 MPa；計算得錨索的錨固長度應大于2.83 m。

代入計算得錨索長度應大于6.83 m； 所以選定錨索長度為7 m。

（2）錨索間排距

錨索排距根據錨固失效時錨索所承擔的巖層重量確定：

式中：Rt為錨索的極限破斷力，380 kN；代入計算得錨索間排距應小于2.1 m，確定錨索間排距為2.0 m×1.8 m。

13102工作面運輸順槽支護參數設計見圖2。

圖2 巷道支護參數

4 支護效果

根據支護參數優化設計對巷道進行加固支護后，對巷道頂部及兩幫進行實時監測，得出巷道頂板下沉值、兩幫移進量見圖3。

圖3 巷道圍巖變形

13102工作面運輸巷因受上覆采空區影響，兩幫變形最大。根據支護參數優化設計對巷道進行加固支護后，頂板下沉量的最大值是85 mm，兩幫變形量的最大值是93 mm。頂板的下沉值與兩幫的移進量控制在合理、安全的范圍內，證明了支護參數的合理性與支護效果的有效性。

5 結語

1）通過分析可知，13102 運輸巷為大斷面巷道，且受到上覆采空區作用易發生頂板彎曲下沉與兩幫內凸現象，更易發生冒頂與片幫等不良現象，為保證巷道安全掘進，需要對巷道支護參數進行優化。

2）由13102 工作面運輸巷工程應用后現場實測可知，巷道頂板下沉值與兩幫變形值控制在合理、安全的范圍內，說明本支護方案能確保掘進的安全，可為類似地質情況與工程情況的巷道支護方案的選擇提供參考。