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(qū)龍礦大恒煤業(yè)有限公司位于朔州市平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)鐵佐溝村和白土窯村一帶，行政區(qū)劃屬平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)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(wěn)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(xiàn)裂隙擴張或剪切滑移，甚至斷裂等不利現(xiàn)象的發(fā)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(xiàn)片幫、垮幫現(xiàn)象。巷道兩幫發(fā)生片幫、垮幫等現(xiàn)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(huán)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(xiàn)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(qū)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。