巷道支护设计及现场矿压监测检验

郝旭岗

（阳煤集团和顺新大地煤业有限公司， 山西 晋中 032700）

引言

如何检验支护设计的支护效果，需对巷道进行现场矿压监测，可以直观地看到巷道变形量和离层量。本文主要针对某矿8106工作面5100回采巷道实际地质情况，利用理论计算方法进行锚杆参数计算，最终确定运输顺槽合理的支护方案。且通过现场矿压监测，对设计的巷道支护参数进行检验。

1 工程背景

某煤矿三盘区处于山西大同西南方向25 km的位置，在大同煤田的东北方向。该矿8106工作面处于3号—5号煤层北部一盘区，西侧为三盘区巷道保护煤柱，北侧为另一工作面回采巷道保护煤柱。8106工作面倾向长度190 m，5100回采巷道长度为1 690 m。顶、底板及夹矸岩性一般为石灰岩，高岭岩、砂质泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩，局部为粉砂岩或细粒砂岩，为稳定煤层。其中，老顶以粗砂岩为主，厚度最大为8.3 m，最小为2.1 m；直接顶以炭质泥岩和砂质泥岩为主，厚度最大为6.5 m，最小为1.0 m；工作面直接顶以粉砂岩为主，厚度最大为5 m，最小为0.4 m[1]。

2 锚杆支护参数理论计算

2.1 巷道断面尺寸

综合考虑施工中机械设备的体积大小，通风风量大小以及巷道围岩变形预留量，最终确定5100巷道掘进断面参数：5100巷断面为矩形断面，宽4.7 m，高 3 m，断面面积为 14.1 m2。

2.2 锚杆参数理论计算

运用悬吊理论以及施工方法综合确定工作面顺槽的支护参数，由悬吊岩层的质量确定锚杆支护设计。

2.2.1 锚杆长度

考虑受到煤层内裂隙影响3号—5号煤层的普氏系数fm取值1.25，内摩擦角为θm=tan-1fm=51.23°。

巷道覆岩冒落拱高度：

式中：b1为巷道一半的跨度，2.35 m；h0为巷道高度，3 m；θm为岩体内摩擦角，51.23°；f为岩体坚固系数，2。

将数值代入式（1）计算得平衡拱高度h=1.7 m。

采用悬吊理论，在计算锚杆的有效长度时，首先应该计算自然平衡拱的拱高，用等式表示为l2=h。

锚杆的长度若按照式（2）进行确定：

式中：l1为锚杆的外露长度，0.1 m；l2为锚杆的支护长度，1.7 m；l3为锚杆的锚固长度，0.3 m，代入式（2）得l=2.1 m。

2.2.2 锚杆间排距

按照悬吊理论工作面顺槽顶锚杆的线性长度应该大于2.1 m。而现有锚杆长度为2.4 m，为了使压缩拱具有一定厚度，能够起到承载作用，需要充分发挥锚杆组合和加固的性能。所以选取顶锚杆间的排距为1.2 m，并采用锚索补强[2-3]。

按照每根帮锚杆抵抗的侧压荷载计算帮锚杆的间距a以及排距b，取a=b即侧压荷载等于帮锚杆的锚固力大小Q。考虑到安全系数K：

式中：a为锚杆间距，m；Q为表示帮锚杆的锚固力大小，取值为80 kN；锚杆安全系数K=2.0，计算得a=

由上面的式子得出，帮锚杆间距不得大于1.5m，取值为间距a=1.2m、排距b=1.2m，它的安全系数为2。

帮锚杆的有效长度按照巷道两帮的最大片帮深度1.1m进行确定，则帮锚杆的有效长度应大于1.5m。

但根据锚杆群对围岩的作用机理，为了在巷道围岩中形成一定厚度的压缩拱，需要充分发挥锚杆的组合和加固性能。故帮锚杆选取间距a=1.2 m，排距b=1.2 m时，帮锚杆的长度需大于2.4 m，选取长度为2.4 m的帮锚杆。

3 巷道锚杆支护确定

3.1 顶板支护

3.1.1 顶锚杆

锚杆选用杆体为Φ20的高强度钢筋锚杆，长度为2 400 mm。每排布置4根锚杆，锚杆排距1 200 mm，间距1 200 mm。接近帮上的一根顶锚杆距巷帮550 mm。若顶板有明显离层和裂隙，每排5根锚杆，锚杆排距1 200 mm，间距1 000 mm。接近帮上的一根顶锚杆距巷帮350 mm[4]。

3.1.2 顶锚索

锚索选用Φ15.24 mm的低松弛预应力钢绞线，长度为5 400 mm。采用对二布置，排距为20 000 mm（即每10排锚杆打1根锚索），锚索间距为2 400 mm，距巷帮1 150 mm，垂直顶板中部。

3.2 巷帮支护

锚杆选用杆体为Φ20 mm普通圆钢锚杆，长度为2 400 mm。锚杆间排距均为1 200 m，每排3根。锚杆起锚高度300 mm，靠近顶板的一根帮锚杆距顶板300 mm。靠近顶、底板的帮锚杆以及水平线呈15°，其余垂直巷帮布置。

4 现场矿压监测检验

4.1 巷道表面位移

为了准确掌握设计方案应用于井下之后巷道的变形情况，在8106工作面的5100巷设置了两组综合测站，包括顶板离层和巷道表面位移监测。经5100巷120 m和240 m两组测站的监测结果表明顶板基本没有下沉量，两帮移近量也很小，巷道基本上保持稳定，从实测的数据来看，顶底板最大移近量为300 mm，两帮最大位移量为220 mm，巷道变形量相对较小，可见巷道支护设计起到了作用。图1为现场观测曲线图。

4.2 顶板离层监测

顺槽巷道总共安装顶板离层仪40多个。从离层仪监测结果显示分析，离层仪显示离层值绝大部分为0，有很少一部分的离层仪显示离层值为1～5 mm。由此可得，锚杆支护对2条顺槽巷顶板的稳定起到了重要的作用，覆岩离层现象较弱，仅在很小的范围内岩体完整性较低，裂隙发育较多，但采用锚索锚杆联合支护以及减小支护结构间排距的方式来合理高效控制围岩稳态[5]。

图1 5100巷两测点表面位移曲线

4.3 检验结果

从顶板离层监测和巷道表面位移监测结果两方面都表明，该矿3号—5号煤8106工作面顺槽巷道支护方案取得了不错的效果，有效控制了巷道围岩的稳定，是一个科学的、有效的支护设计。

5 结论

以某矿8106工作面的5100回采巷道为研究背景，采用理论计算确定巷道锚杆支护参数，并进行现场矿压监测检验，主要结论如下：

1）参数为顶锚杆选用杆体为Φ20的高强度钢筋锚杆，长度为2 400 mm。每排布置4根锚杆，锚杆排距1 200 mm，间距1 200 mm。接近帮上的一根顶锚杆距巷帮550 mm。若顶板有明显离层和裂隙，每排5根锚杆，锚杆排距1200 mm，间距1 000 mm。接近帮上的一根顶锚杆距巷帮350 mm，皆垂直于顶板布置。顶锚索选用Φ15.24 mm的低松弛预应力钢绞线，长度为5 400 mm。采用对二布置，排距为20 000 mm（即每10排锚杆打1根锚索），锚索间距为2 400 mm，距巷帮1 150 mm，垂直顶板中部。巷帮锚杆选用杆体为Φ20 mm普通圆钢锚杆，长度为2 400 mm。锚杆间排距均为1 200 m，每排3根。锚杆起锚高度300 mm，靠近顶板的一根帮锚杆距顶板300 mm。靠近顶、底板的帮锚杆以及水平线呈15°，其余垂直巷帮布置。

2）在5100巷120 m和240 m两组设置测站，对该巷道表面位移和顶板离层进行监测发现，顶底板最大移近量为300 mm，两帮最大位移量为220 mm，巷道变形量相对较小；离层仪显示离层值绝大部分为0，有很少一部分的离层仪显示离层值为1～5 mm。由此可见，确定的锚杆支护参数支护效果显著。