平山煤矿东翼胶带与东翼轨道联巷支护技术的研究

陈 凯

（山西保利平山煤业股份有限公司， 山西 晋城 048200）

引言

受矿山压力和巷道掘进的影响，巷道围岩完整性受到破坏，变形严重，面临多次返修的难题，为了保证巷道的安全稳定，保证巷道功能的正常使用，需针对具体的工作面地质环境进行巷道支护技术研究[1-3]。

1 工程概况

平山煤矿位于山西省晋城市沁水县郑村镇后河村，东翼胶带与东翼轨道联巷掘进工作面位于东翼胶带大巷北侧，东翼轨道大巷南侧，巷道设计工程量共计 114.929 m，巷道沿 -0°45′0″下山掘进114.929 m与东翼轨道大巷贯通。地面标高为+935～+1 015 m，水平标高为 +365.815～+368.173 m，巷道用于寻找瓦斯参数井，服务于整个32采区。位于矿井3号煤层底板岩层中，上距3号煤层10 m以上。井田内无采空区，相邻矿井为近几年投产矿井，采空区远离矿井边界，且该工程位于我矿井田范围中南部，因井田煤可采煤层埋藏较深，井田范围内无老窑存在。

该巷道掘进范围内主要以砂质泥岩为主，层理清晰，煤层发育稳定，主要支护锚固层为沙质泥岩为主。煤（岩）层产状、厚度、结构、坚固性系数，预计巷道揭露的各煤层间距，顶底板岩性及特征分析由上至下煤岩层结构、厚度岩性及特征见表1。

2 巷道布置

东翼胶带大巷与东翼轨道大巷联巷沿-0°45′0″下山掘进114.929 m与东翼胶带大巷贯通。巷道根据使用功能和工作年限确定采用直墙半圆拱形巷道，东翼胶带大巷与东翼轨道大巷联巷掘进断面为：掘宽4 240 mm，掘高3 720 mm，掘断面积13.8 m2；净宽4 000 mm，净高3 600 mm，直墙高1 600 mm，净断面积12.7 m2。

表1 巷道顶底板情况表

3 巷道支护的验算

3.1 巷道永久支护方式

根据巷道初步设计结合生产技术科设计要求及用途和服务年限，综合考虑采用锚网索喷联合支护。

1）锚杆：采用Φ22 mm、L=2 400 mm的左旋无纵肋螺纹钢锚杆；托盘规格为150 mm×150 mm拱形高强度异型托盘，厚度10 mm；由里向外依次为钢板托盘、半球、螺母，锚杆间排距为0.8 m×0.8 m；

2）金属网：采用金属网由Φ6 mm的钢筋按100 mm×100 mm的网格焊接而成，网幅为2 500 mm×1 100 mm；

3）锚索：采用Φ22 mm锚索，原则上使用8 300 mm长的锚索，当该锚索不能锚固到稳定岩层内时，锚索长度根据与煤层底板距离合理选择进行加工；托盘规格为300 mm×300 mm拱形高强度异型托盘，厚度16 mm，由里向外依次为钢板托盘、半球、锁具，锚索间排距为1.6 m×1.6 m；

4）锚固剂：支护锚杆使用2卷MSK2360，支护锚索使用3卷MSK2360锚固剂；

5）锚喷参数为：喷射混凝土C20；混凝土质量配比为m（水泥）∶m（黄沙）∶m（石子）=1∶2∶2；速凝剂为水泥比重的4%；水灰比为0.45；喷浆厚度为120 mm；喷嘴风压为 3～4 MPa；喷嘴水压为 0.5 MPa，水质为清洁中性水。

3.2 永久支护验算

3.2.1 锚杆长度

锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮体作用，达到支护效果的条件，应满足：

式中：L为锚杆总长，mm；L1为锚杆外露长度，10～40 mm；L2为有效长度（顶锚杆取免压顶高b，帮锚杆取煤帮破碎深度c），mm；L3为锚入岩层内深度（顶部锚杆取1 200 mm，帮部锚杆1 200 mm）。

式中：B、H为巷道掘进宽度和高度，B取宽度为4.24m，H为3.72 m；f顶为顶板岩石普式系数，取3；ω帮为两帮围岩的内摩擦角，取63.43°（查《采矿设计手册》（上册）得）。代入数据计算得b≈999mm，c≈878 mm。

依据L≥L1+L2+L3公式验算，实际选用锚杆长：

因此所选锚杆长度均能满足要求。

3.2.2 按锚杆所悬吊的质量校核锚杆的间距

按单体锚杆悬吊作用计算

式中：Q为锚杆的破断力，取151 kN；γ为岩体容重，取22 kN/m3；k1为安全系数，取3；l2为普氏免压拱高，取 0.9 m，通常a=b。

带入上述公式计算锚杆间、排距为1.23 m，设计锚杆间距为0.8 mm、排距为0.8 mm，符合要求。

3.2.3 锚杆直径

式中：Q为锚杆的破断力，取151 kN；σt为杆体抗拉强度，取540 MPa

经上述计算锚杆直径d为18.9 mm，设计使用锚杆直径为22 mm，符合要求。

3.2.4 锚固方式和长度

式中：d为锚杆直径，取22 mm；d孔为钻孔直径，取28 mm；σt为杆体材料的设计抗拉强度，取540 MPa；τ孔为锚固剂与孔壁的黏结强度；取6.5 MPa。

经上述计算锚杆所需锚固长度为35.9 cm，设计锚固长度为120 cm，符合要求。

锚固方式：采用端头锚固，锚杆选用MSK2360型树脂锚固剂2根。

3.2.5 锚杆钻孔直径与树脂锚固剂直径

根据“三径”匹配要求，锚杆钻孔直径与锚杆杆体直径之差为6～8 mm，锚杆钻孔直径与树脂锚固剂直径之差为4～8 mm，因此锚杆钻孔直径R孔在26～30 mm之间，树脂锚固剂直径R树在20～24 mm之间。取R孔=28 mm，R树=23 mm。

3.2.6 锚索长度

式中：X1为锚索外露长度，取0.25 m，X2为潜在不稳定岩层高度，X2=0.8B，X3为锚索锚固长度，X3=，k2为安全系数，一般取2；dm为锚索钢绞线直径，22 mm；fs为钢绞线抗拉强度，1 860 MPa；fc为锚索与锚固剂的设计黏结强度，取12 MPa。

经上述计算X3的长度为1.71 m，取X3的长度为1.8m，计算X的长度为5.18m，设计的长度为8.3m，符合要求。

3.2.7 锚索排距

式中：σ为每根锚索最小破断力，250 kN；k3为安全系数，一般取0.5。计算可得，锚索排距s=0.948 m。

3.2.8 锚索间距

带入可得锚索间距m为3.8 m。经过上述计算，锚索间排距为3.8 m×0.948 m，设计锚索间排距为1.6 m×1.6 m符合设计要求。

3.3 巷道临时支护

巷道临时支护以前探梁为主，液压点柱为辅的临时支护工艺。液压点柱使用DW22-30/100B单体液压支柱，工作面备足3～4根该型号液压支柱。

4 支护技术要求

4.1 永久支护技术要求

1）巷道落岩后迎头达到可以进行顶板锚杆支护的高度时，必须立即进行锚杆支护，巷道顶板锚杆支护必须紧跟迎头施工。顶板及两帮稳定，不掉顶、不片帮时，顶部锚杆逐排及时支护到迎头，若不稳定时，掉顶、片帮时、间距、数量作相应调整。炮掘时最大控顶距为1.8～2.4 m，最小控顶距为0.2～0.6 m。帮部下2根锚杆距迎头滞后不超过4排。

2）巷道锚杆为矩形排列方式布置，间排距为800 mm×800 mm，锚杆间排距允许偏差为±100 mm，。若现场顶板岩性发生变化，及时改变锚杆间排距，补充支护措施；锚杆均垂直于岩壁，锚杆角度允许偏差为±15°；锚杆孔深误差在0～50 mm范围内；锚杆露出螺母长度为10～40 mm。锚固长度为1 200 mm，每根锚杆用二卷MSK2360树脂锚固剂，扭矩为300 N·m。

3）巷道顶板金属网横向铺设，两帮金属网纵向铺设，金属网压茬100 mm，采用16号铁丝双股每200 mm绑扎1道，成Z字形。两帮铺网时，上方自顶板面向下铺设，下方低于最下面一根锚杆至少50 mm，且帮、顶铺设必须要封闭拉紧，充分展开，并紧贴巷道围岩表面。

4）锚索间排距均为 1 600 mm×1 600 mm，3-2-3布置，锚索间排距允许偏差为±100 mm，预紧力不低于140 kN（使用ML-20型拉拔仪，压力表读数不低于35 MPa），每根锚索使用3卷MSK2360型树脂锚固剂，锚固长度1 800 mm；锚索支护不得滞后2个锚索排距。

4.2 特殊地段的支护方式和技术要求

1）遇断层破碎带、应力集中区等特殊地段时，必须逐排掘进、逐排支护，缩小循环进尺，最大控顶距不超过800 mm，采取缩小顶帮锚杆排距，加密锚索支护措施，并视现场具体情况补充安全技术措施。

2）在巷道压力较大地段，必须经常观察顶板变化，发现顶板变形严重或因压力大出现锚杆崩断等异常情况应及时采取加固措施。

3）在巷道施工过程中出现塌窝处大于300 mm段，使用单层10号菱形铁丝网配合Φ22 mm×2 400 mm左旋无纵肋金属锚杆紧贴岩面进行支护，然后采用钢筋网配合Φ22 mm右旋全螺纹锚杆进行造型，空隙小于300 mm段补加木托板后使用钢筋网配合第二个托盘进行造型。

5 工业试验

东翼胶带与东翼轨道联巷采用如上支护技术方案进行支护工作，为研究以上方案参数的合理性及巷道围岩的变形量，在巷道每隔30 m设置一个测站，分别记录巷道两帮及顶底板变形量。通过提取测站数据分析可以得到：在工作面回采期间，顶底板最大变形量700 mm，两帮相对变形量250 mm，巷道底鼓量大于两帮移近量，底鼓速度比两帮移近速度快，因此，施工时要适当预留移近量，以治理巷道底鼓为主，增加底角锚杆支护。

6 结语

针对平山煤矿东翼胶带与东翼轨道联巷支护问题，根据巷道布置以及煤层赋存情况，设计巷道均采用直墙半圆拱形巷道，净宽4 000 mm，净高3 600 mm，直墙高1 600 mm，净断面积12.7 m2；根据相似巷道支护经验选用锚网索喷联合支护，并通过理论计算验证了锚杆锚索参数，锚杆采用间排距为0.8m×0.8 m、Φ20 mm×2 400 mm螺纹钢锚杆；锚索采用间排距为1.6 m×1.6 m，直径为22 mm，长度为8 300 mm的高强度预应力钢绞线；最后通过现场工作面实际应用变形量监测，证明此支护方案可以保证东翼胶带与东翼轨道联巷的安全稳定。