慈林山煤礦復合頂板下巷道支護參數設計與應用

孫云玲

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司慈林山煤礦，山西 長子 046605）

我國是世界上第一產煤大國，煤炭年產量占比在35%以上。隨著世界能源格局改變，煤炭在消費能源中的占比有所降低，但短期內我國以煤炭為主的消費結構不會改變[1-2]。我國煤炭開采以地下開采為主，需要大量的地下巷道，巷道圍巖的穩定控制直接關系煤炭的安全高效開采。隨著巷道圍巖控制理論和技術的發展，目前，煤礦巷道大多采用錨桿支護形式，錨桿支護作為主動支護技術的手段之一，其通過預緊力對巷道形成一定程度的約束，有效提高圍巖強度和完整性，同時，在巷道淺層圍巖形成主動承載結構，與支護結構協同承載巷道圍巖變形[3-5]。

1 工程概況

慈林山煤礦9107 工作面開采太原組三段下部9 號煤層，煤層整體為單斜構造，傾角變化范圍為0°～±8°，總體為由西向東呈上山趨勢，煤層厚0.00～1.66 m，平均1.12 m，局部含一層泥巖夾矸，煤層結構簡單，屬穩定的大部可采煤層。9107 運輸巷服務于9107 工作面，用作回采運輸巷，巷道基本沿煤層走向布置，沿9#煤層掘進。巷道北150 m 為9105 工作面，南為實體煤，東為井田邊界，西為9 煤回風大巷、帶式輸送機大巷、軌道大巷。9107 工作面直接頂為厚層狀泥質灰巖，均厚1.1 m；直接底為厚層狀粗粒砂巖，平均厚度1.2 m。具體頂底板巖層巖性特征見表1。如表所示，9107 工作面運輸巷頂板為多層巖層復合，巷道圍巖控制相對困難。

表1 工作面頂底板巖層巖性特征

2 巷道支護關鍵參數設計

9107 運輸巷為矩形斷面巷道，掘進寬度4.3 m，掘進高度2.4 m。基于生產地質條件，設計采用錨網索支護，具體設計如下。

（1）錨桿參數設計

① 錨桿長度確定。頂錨桿主要是充分利用頂板巖層自身承載能，通過懸吊作用實現頂板巖層的穩定控制；幫錨桿作用主要是提高幫部圍巖強度。錨桿長度L應滿足：

式中：L1為錨桿外露長度，取0.1 m；L2為錨桿有效支護強度，頂錨桿取免壓拱高0.68 m，幫錨桿取破碎深度0.57 m；L3為錨桿錨固長度，取1.2 m。經計算L頂≥1.98 m，L幫≥1.87 m。

綜上確定，錨桿長度為2.2 m。

② 錨桿間排距確定。錨桿通過給圍巖提供一定圍壓，改善錨固體自身承載能力，合理的錨桿間排距不僅能保證巷道圍巖穩定，同時也有利于提高掘進速度。基于9107 工作面運輸巷復合頂板巖層地質條件，采用數值模擬的方式模擬不同錨桿間排距對應的圍巖控制效果，模擬結果見表2。錨桿間排距為1.2 m×1.2 m，圍巖變形量最大，隨著圍巖間排距的不斷減小，圍巖變形量也逐漸減小，其中間排距由1.2 m×1.2 m 縮減為1.0 m×1.2 m，變形量減小幅度最大，之后隨著錨桿間排距的繼續減小，圍巖變形量減小幅度較小。綜上所述，考慮支護成本，確定錨桿間排距為1.0 m×1.2 m。

表2 不同錨桿間排距對應的巷道變形情況

（2）錨索參數設計

① 錨索長度。錨索主要是將淺部圍巖錨固至深部穩定巖層，錨索長度L應滿足：

式中：L1為錨索錨固至較穩定巖層的長度，取0.9 m；L2為所需錨固的不穩定巖層厚度，依據頂底板巖性，取4.0 m；L3為托盤鎖具等長度，取0.07 m；L4為外露長度，取0.3 m。經計算，L≥5.27 m，因此確定錨索長度為6.3 m。

② 錨索間排距。錨索間排距同樣采用數值模擬的方式模擬不同錨索布置方案對應的圍巖控制效果，見表3。錨索排距4.8 m，每排2 根，巷道圍巖變形量最大，其余布置方案均可有效降低圍巖變形。綜上所述，考慮支護成本，確定錨索布置排距3.6 m，每排1 根。

表3 不同錨索布置方案對應的巷道變形情況

3 巷道支護方案

9107 運輸巷設計采用錨網索梁聯合支護技術，具體支護參數如下：

（1）頂板支護。錨桿桿體為20#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為335#，長度2200 mm，桿尾螺紋為M22，采用2 支樹脂錨固劑錨固，1 支規格為MSCKB2335，1 支規格為MSZ2360；每排錨桿采用Φ14 mm 的Q235 圓鋼焊接而成鋼筋托梁連接，配套規格為150 mm×150 mm×10 mm 的高強度拱形托板；采用金屬鐵絲網護頂，網片規格為4.5 m×1.2 m 經緯網，網格50 mm×50 mm；錨桿間排距1000 mm×1200 mm，每排5 根，錨桿扭矩力300 N·m，錨固力127 kN。錨索規格為Φ18.9 mm-1×7 股的鋼 絞 線，長 度6.3 m，配1 支MSCKb2335 和2 支MSZ2360 樹脂錨固劑，采用300 mm×300 mm×16 mm 高強度可調心托板及配套鎖具預緊，居中布置1根，排距3600 mm，垂直頂板巖層，錨索初始漲拉至250 kN，損失后不低于200 kN。

（2）巷幫支護。巷道采用非對稱支護方式，煤柱幫錨桿規格、組件、要求和頂錨桿一致，回采幫采用玻璃鋼錨桿，桿體為20#，長度2200 mm，間排距均為1100 mm×1200 mm，玻璃鋼錨桿采用一支規格為MSZ2360 的錨固劑錨固，扭矩力不低于40 N·m。巷道支護斷面圖如圖1。

圖1 巷道支護斷面圖

4 效果分析

將設計支護參數應用于試驗巷道，技術應用后，監測了巷道變形情況。巷道變形主要發生在巷道初掘1 個月內，該階段內，巷道頂底板累計移近量約56 mm，移近速度約為1.8 mm/d；巷道兩幫累計移近量約36 mm，移近速度約為1.2 mm/d。巷道掘出3 個月后，圍巖變形速度小于0.3 mm/d，巷道圍巖趨于穩定。此時巷道頂底板累計移近量約75 mm，巷道兩幫累計移近量約44 mm，巷道圍巖整體變形量均較小，證明了慈林山煤礦復合頂板下巷道支護參數的合理性。

5 結語

基于慈林山煤礦9107 運輸巷復合頂板地質條件，理論計算了所需錨桿索長度，分析了錨桿索間排距對巷道圍巖的控制效果，據此，設計了采用錨網索梁聯合支護方案，監測結果證明了復合頂板巷道支護參數的合理性。