马兰矿28312 工作面皮带巷支护技术的研究

刘利斌

（西山煤电集团马兰矿， 山西 古交 030205）

引言

在煤炭开采时，受到矿山压力和工作面推进影响，许多工作面巷道围岩完整性受到破坏，变形较为严重，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]。本文针对马兰矿28312 工作面皮带巷顶底板具体地质条件进行支护技术研究。

1 工程概况

马兰矿隶属于山西焦煤西山煤电集团公司，28312 工作面位于北三下组煤采区8 号煤左翼，皮带巷南东侧最小间距7.0 m 为下衔接水平采区边界。工作面皮带巷里程73～173 m，上部间隔77～82 m为22312 采空区，其中有积水15.2 万m3，其他位置暂无工程。工作面呈单斜构造，倾角4°～13°，平均8°。

工作面所采煤层为石炭系太原组8 号煤层，属近水平稳定可采厚煤层，煤层结构复杂，8 号煤厚3.80～4.50 m，平均4.10 m，本区煤层松散破碎，煤层普氏硬度1.7。28312 工作面顶底板岩性如表1所示。

2 巷道布置

表1 煤层顶底板情况表

28312 皮带巷开口位于北三下组煤回风下山，工作面标高716～763 m，工程量350 m，工作面呈单斜构造，煤岩层倾角为4°～13°，平均8°。根据相邻工作面巷道掘进经验及本工作面巷道的使用功能，确定巷道采用矩形断面，沿太原组8 号煤层跟顶施工。皮带巷净宽4.5 m，净高3.5 m，净断面15.75 m2。

3 锚杆支护的设计计算

3.1 巷道破坏范围及载荷的计算

3.1.1 巷道两帮破坏深度C的计算

式中：σcc为所采煤层单向抗压强度，取13 MPa；H为巷道所处埋深，取527 m；l为巷道切割煤层的宽度，取4.5 m；hc为巷道切割煤层的厚度，取3.5 m；μ 为煤层波松比，取0.45；γ 为上覆岩层平均容重，取25 kN/m3；α 为煤层倾角，取8°；φ 为煤层内摩擦角，取52.43°；Kσ为应力集中系数，取2.125.

将以上数据代入公式，可得巷道两帮破坏深度C=0.769 m。

3.1.2 巷道顶板破坏高度b的计算

式中：λ 为巷道侧压系数，取0.818；a为悬臂岩层半跨距，根据相邻工作面实测取2.25 m；σcr为巷道顶板抗拉强度，取60 MPa；Ky为顶板岩层完整系数，取0.681。

将以上数据代入公式，可得巷道顶板破坏高度为0.697 m。

3.1.3 顶板载荷Qr的计算

式中：Ka为受临近工作面采空区影响的系数，取0.924。代入数值计算得Qr=88.804 kN/m。

3.1.4 巷帮载荷Qs的计算

代入数据计算得Qs=21.868 kN/m。

3.2 巷道顶板锚杆的计算

3.2.1 顶板锚杆直径d1计算

根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定。

式中：σt为杆体材料抗拉强度，取340 MPa；Q为锚固力，取105 kN。

代入计算公式可得d1=19.739 mm，顶锚杆直径取20 mm。

3.2.2 顶板锚杆长度Lbr的计算

式中：Δ 为锚固段长度与锚杆外露长度之和，根据相似工作面工程经验，锚固段长度取0.812 m，锚杆外露长度取0.05 m。

代入计算公式可得Lbr=1.559 m，根据相似工作面支护经验，顶锚杆长度取2.0 m。

3.2.3 顶板锚杆排距Dr的计算

式中：Pr为锚杆拉拔力，取105 kN；K1为安全系数，取2。

代入可得Dr=1.58 m，取1.2 m。

3.2.4 顶板每排锚杆个数N的计算

式中：K2为安全系数，取3。

代入数据计算得N=3.04 根，取4 根。

3.2.5 顶板锚杆的计算结果

综上，可得巷道顶板锚杆采用直径为20 mm、长度为2 m 的螺纹钢锚杆，间排距为1 300 mm×1 200 mm，采用一个MSCKb2360 型和一个MSK2380 型树脂锚固剂锚固。

3.3 巷道帮锚杆的计算

3.3.1 帮锚杆长度Lbs的计算

根据前文所述各参数取值，可以计算得到长度Lbs=1.631 m，取2.0 m。

3.3.2 帮锚杆直径d2的计算

根据前文所述各参数取值，可以计算得到d2=198.739 m，取20 mm。

3.3.3 帮锚杆排距Ds的计算

式中：Ps为锚杆拉拔力，取105 kN；K3为安全系数，取5。

计算可得Ds=2.5 m，取1.2 m。

3.3.4 巷道帮部每排锚杆根数Ns的计算

式中：K4为安全系数，取5。

代入数据计算得Ns=1.25 根，考虑巷道受工作面采动影响，巷道帮部每排锚杆取3 根。

3.3.5 巷道帮锚杆计算结果

综上，可得巷道帮部锚杆采用直径为20 mm，长度为2 m 的螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 200 mm，巷道两帮支护形式确定为锚杆、金属菱形网联合支护。矩型布置，最上排锚杆距顶板400 mm。

4 锚索补强的计算

由于马兰矿28312 皮带巷跨度较大，且受到工作面回采时容易造成巷道破坏范围增大，导致支护失效。因此，设计对巷道顶板采用锚索补强支护。

4.1 锚索排距Lb 的计算

式中：T为锚索标准破坏载荷，取370 kN；K5为安全系数，取2；Q为巷道每米冒落拱内岩体重，取180 kN。

代入数据计算得Lb=3.14 m，根据计算结果和相似工作面开采支护经验，锚索排距选取2.4 m。

4.2 锚索锚固段长度Lc 的计算

式中：P1为黏结强度，取10 N/mm2；K6为锚固安全系数，取2；d3为锚索直径，21.6 mm。

代入可得Lc≥1 091 mm。

根据计算结果和相似工作面工程经验，锚索锚固段长度取1 500 mm。

4.3 锚索长度L 的计算

式中：Lc为锚索锚固长度，取1.5 m；Ld为锚索外露长度，取0.25 m；b为顶板潜在离层厚度，取2.0 m。

代入可得顶板锚索长度为3.75 m，取5.2 m。

5 支护方案

综上所述，马兰矿28312 工作面皮带巷采用锚杆+锚索联合支护方式：顶板采用4 根直径为20 mm，长度为2 m 的螺纹钢锚杆，间排距1 300×1 200 mm。两帮采用3 根直径为20 mm，长度为2 m 的螺纹钢锚杆，帮锚杆间排距1 000 mm×1 200 mm。顶锚索采用直径为17.8 mm，长度为5 200 mm 的高强度预应力钢绞线，排距2.4 m，每排布置一根，布置于两排顶锚杆中间。支护方式如图1 所示。

图1 支护方式示意图

6 工业试验

28312 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50 m 设置一个测站，利用LBY-3 本安型围岩位移测定仪对巷道围岩变形进行监测。分别记录巷道两帮及顶底板变形量。

由图2 可知，在工作面回采期间，两帮移近量稳定在114 mm，顶底板移近量稳定在57 mm，完全可以保证巷道的安全稳定，保障工作面的正常回采需求。

7 结论

1）针对马兰矿28312 工作面巷道支护等问题，设计巷道采用矩形断面，断面尺寸为4.5 m×3.5 m；根据相似巷道支护经验选用锚杆+锚索联合支护方式。

2）理论计算得出的锚杆锚索参数：顶锚杆采用间排距为1 300 mm×1 200 mm、Φ20 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆；帮锚杆采用间排距为1 000 mm×1 200 mm、Φ20 mm×2 000 mm 螺纹钢全长树脂锚固锚杆；锚索采用直径为17.8 mm，长度为5 200 mm 的高强度预应力钢绞线，每排布置1 根锚索。

3）通过现场工作面实际应用变形量监测，证明了此支护方案可以保证28312 皮带巷的安全稳定。

图2 巷道变形量分析