大恒礦膠帶巷巷道支護的設計與應用

郭 亮

（山西春成煤礦勘察設計有限公司，山西 太原 030010）

1 大恒礦概述

山西朔州平魯區龍礦大恒煤業有限公司位于朔州市平魯區陶村鄉鐵佐溝村和白土窯村一帶，行政區劃屬平魯區陶村鄉管轄。井田面積為6.909 6 km2。批準開采4～11 號煤層，礦井設計生產能力為180萬t/年，核定能力300 萬t/年。

下組煤西翼膠帶巷，巷道標高1 064.2～984.0 m，傾角0°～6°，平均傾角3°。膠帶巷掘進過程中先后穿過8、9-1、9-2三層煤，之后沿9-2號煤層頂板施工，8 號煤層厚1.2 m，9-1號煤層厚6.50 m，9-2號煤層厚5.30 m。煤層直接頂為粉砂巖，淺灰、深灰色，粉砂粒狀結構，薄層狀，水平層理，富含炭化植物葉片化石，局部含黃鐵礦結核呈團塊狀分布，參差狀斷口。抗壓強度31.2 MPa，平均厚度2.45 m。煤層直接底為泥巖，灰色，泥質結構，薄層狀，水平層理。含植物根莖葉類化石，局部巖心破碎，平坦狀、次棱角狀斷口。巖石半堅硬。抗壓強度14.8 MPa，平均厚度2.53 m。

2 9 號煤層礦山壓力計算

9 號煤層西翼膠帶巷埋深為190 m。由上文可知9-2煤層厚度平均為5.30 m，膠帶巷沿9-2煤層頂板掘進，設計斷面為矩形，寬w=4.5 m，高h=3 m，屬于煤巷。9-2煤層的普氏系數fb取1.2，巖層的似內摩擦角θb=tan-1fb=50.2°。

1）巷道最大片幫深度c：

將數值代入公式計算得巷道最大片幫深度c=1.09 m。

2）巷道頂板不穩定巖層高度的計算按照自然平衡拱高度hg計算：

式中：hg為巷道頂板自然平衡拱高度，m；a 為巷道掘進寬度w 的一半，取2.25 m；fd為頂板普氏系數，取2.4。將數值代入公式計算得頂板自然平衡拱高度hg=1.39 m。

3）巷道頂部壓力Qd：

式中：Qd為巷道頂部壓力，kN/m；γd為頂板巖石容重，取26 kN/m3。將數值代入公式計算得巷道頂部壓力Qd=161.14 kN/m。

4）巷幫側向壓力Qc：

式中：Qc為巷幫側向壓力，kN/m；γb為巷幫煤體的加權容重，取18.8 kN/m3；b 為頂板自然平衡拱高度，取1.39 m；θb為巖層的似內摩擦角，取50.2°。代入數值計算得巷幫側向壓力Qc=25.29 kN/m。

根據以上計算分析得出：因受層理裂隙影響，頂板淺部巖層容易出現裂隙擴張或剪切滑移，甚至斷裂等不利現象的發生。由于巷道兩幫巖性介于裂隙體與破碎體之間，容易導致出現片幫、垮幫現象。巷道兩幫發生片幫、垮幫等現象，會削弱巷道兩幫對頂板的支撐作用，使巷道有效跨度增大、頂板巖層變形加劇，最終形成頂、幫相互影響的惡性循環過程。

3 巷道支護設計

3.1 頂板支護設計

根據膠帶巷頂板巖性特征，采用擠壓加固理論、組合梁理論和懸吊理論三者相結合的方式對巷道頂板進行支護設計。即利用錨桿支護的特點，將頂板中潛在的拱形載荷體懸吊于深部巖層結構中，使頂板形成錨固梁、組合梁。

3.1.1 錨桿間排距

錨桿懸吊巖石載荷，即為錨桿的錨固力的大小決定頂錨桿的間排距。錨桿懸吊巖石載荷G：

式中：e 為錨桿間距，m；y 為錨桿排距，m；G 為錨桿懸吊巖石載荷。取間排距相等，即e=y，由上文知Qd=161.14 kN/m，計算得G=18.96e2。考慮安全系數情況，即錨桿的錨固力表達式為Q=18.96ke2。取k=2，Q=70 kN，計算得e=1.36 m。即當巷道頂錨桿間、排距不大于1.36 m 時，錨桿安全系數大于2。

3.1.2 錨桿長度

式中：l 為錨桿長度；l1為錨固長度，l1≥0.3 m；l2為錨桿有效長度，m，錨桿有效長度按自然平衡拱高度1.39 m 確定；l3為錨桿外露長度，取0.1 m；則頂錨桿長度不宜小于1.79 m。頂錨桿長度取2.0 m。

3.1.3 錨索長度

錨索的長度由錨索的錨固端長度，錨索外露長度及巷道潛在冒落高度決定。取錨索錨固端長度1.2m，外露長度0.3 m，潛在的冒落高度為巷道寬度，即為4.5 m，則頂錨索長度不宜小于6.0 m。

3.2 兩幫支護設計

3.2.1 錨桿間排距

根據膠帶巷兩幫巖性特征，采用擠壓加固、整體錨固方式進行設計。即通過錨、網支護使兩幫中形成具有一定承載能力的擠壓加固墻。

幫錨桿間排距的計算與頂錨桿類似，錨桿間排距及數量根據每根幫錨桿抵抗的側壓載荷大小確定。

式中：e0為幫錨桿間距，m；y0為幫錨桿排距，m；G0為幫錨桿測向壓力載荷。取幫錨桿間排距相等，即e0=y0，由上文知Qc=25.29 kN/m，計算得G0=8.43e02。考慮安全系數情況，即錨桿的錨固力表達式為：Q0=8.43k0e02。取k0=2，Q0=70 kN，計算得e0=2.04 m。即當巷道頂錨桿間、排距不大于2.04 時，錨桿安全系數大于2。

3.2.2 錨桿長度

與頂錨桿計算方式一樣，幫錨桿有效長度按最大片幫深度確定為1.09 m，則幫錨桿長度不宜小于1.49 m，巷幫錨桿長度取2.0 m。設計見圖1。

圖1 9 號煤層西翼膠帶巷支護斷面圖（單位：mm）

4 現場應用情況

對膠帶巷成巷巷道進行圍巖觀測和錨桿（索）預應力觀測。巷道每隔50 m 在巷道開口段、巷道交叉段和首尾段及構造區域打設一個頂板離層儀和一組錨桿（索）測力儀。每隔100 m 布置一個圍巖觀測站，采用“十”字布點觀測法。距掘進工作面50 m 范圍內，每班觀測1 次；50 m 范圍外，每周觀測1 次。對觀測數據進行對比分析，巷道變形量及錨桿（索）測力儀數值在預期值以內，滿足設計要求。

5 結論

1）頂板支護宜采用擠壓加固理論、組合梁理論和懸吊理論相結合的方式進行。即通過錨桿支護使頂板形成組合梁，并通過錨桿確保能將頂板自然平衡拱載荷體懸吊于深部巖層結構中。頂板泥巖易于風化，須安設金屬網，以提高錨桿的整體性和支護能力。

2）兩幫錨桿支護宜采用擠壓加固方式。即通過錨桿使兩幫中形成具有一定承載能力的擠壓加固墻，從而減小兩幫位移，增強錨固體對淺部巖體的約束作用。

3）頂錨桿的錨固力不小于70 kN，幫錨桿的錨固力不小于70 kN。

4）頂錨桿長度不宜小于1.79 m，取2 m；幫錨桿長度不宜小于1.49 m，取2 m；頂錨索長度不宜小于6.0 m，取6.3 m。

5）結合錨桿擠壓加固理論、組合梁理論，并考慮巷道斷面尺寸和可能布置的錨桿根數綜合確定。頂錨桿的間排距不宜大于1.36 m，幫錨桿的間排距不宜大于2.04 m，錨桿排距取1 m，頂錨桿間距取0.8 m，幫錨桿間距取1.2 m。

6）頂板采用錨索補強，在巷中打設1 根錨索，排距2 400 mm。

7）局部破碎較嚴重，特別是地質變化帶，要增加錨桿、錨索根數，同時加長錨索長度。