基于松动圈测试技术的巷道支护方案设计

张玉波，许 慧

(1.国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000;2.鄂尔多斯市煤矿设计院，内蒙古鄂尔多斯 017000)

1 工程概况

山西柳林双柳煤矿3306工作面开采煤层为3#、4#复合煤层，工作面标高为 470～504m，煤厚2.8m，煤层基本稳定，区内煤层倾角0°～6°，平均4°。该区内构造简单，在掘进过程中也没有发现对回采有影响的断层及陷落柱。在切割巷中部掘进过程中，揭露三条落差0.02～0.15m的小断层，延伸到工作面内有可能影响生产。工作面设计走向长度1150m，倾斜长195m。

2 巷道松动圈测试

由于回采巷道开挖后，巷道周边一定范围的煤体就会发生变形破坏，此范围的应力会有所降低，应力得到释放，围岩将破碎产生裂隙从而形成松动圈［1，2］，而巷道围岩的松动圈的大小是确定支护强度的重要依据，尤其是确定锚杆长度的主要依据，同时也是对巷道围岩稳定性进行评价的重要依据。为了更好的进行支护设计，对3306工作面回采巷道进行了围岩松动圈测试。

图1 3306工作面布置示意图

2.1 测试仪器选择

本次围岩松动圈测试采用武汉中岩科技有限公司RSM－SY5(T)非金属声波检测仪(图2)。本仪器应用于煤体测试，通过对被测煤体声波参数的测试，可以对煤体内部结构进行分析，判断煤体内部破坏情况。巷道松动圈测试采用一发一收的单孔测试传感器，发射与接收装置之间的距离为200 mm。

图2 RSM－SY5(T)非金属声波检测仪

2.2 测点布置

本次松动圈测试在巷道下帮的腰线位置共布置5个测站，由于煤帮相对岩巷比较软，测量钻孔采用煤电钻打孔。钻孔方位基本与巷道垂直，钻头直径42 mm，孔深在3.5m～4m之间。测站位置布置见图3，测孔的具体情况见表1。

表1 3306工作面测孔布置参数

2.3 松动圈测试结果及分析

煤体的波速按下式计算:

式中:V——声波在煤体中传播速度，m/s;

L——探头接收传感器之间的距离，0.2m;

T——探头接收传感器声波的走时，S。

煤体声波测试结果见图4。

从声波测试结果可以看出，从孔口到孔底煤体中波速有增大的趋势，在靠近孔底处声速变化趋于平缓。孔口和孔底部分位置没有测到读数，可能是由于裂隙比较发育，水渗漏或水没有流到孔底，没有起到耦合作用所致。根据超声波测试原理［3］判断，五个钻孔测试的松动圈界限分别在1.6m、1.4m、1.6m、1.2m、1.2m 左右，平均松动圈范围1.4m。

3 复合煤层巷道支护方案设计

3.1 两帮锚杆支护参数设计

3.1.1 锚杆长度的确定

根据对煤层巷道现场松动圈测试结果及围岩松动圈的分类［4］，回采巷道松动圈属于中松动圈，松动圈支护理论经过大量工程实践证明，在中松动圈条件下，可用锚杆将松动范围岩层悬吊在松动圈以外的围岩中，起到有效的支护作用，因此其锚杆长度可按下式确定:

图4 煤体声波速度对比图

式中 L——锚杆长度，mm;

L1——锚杆的外露长度，取常数100 mm;

Lp——考虑受动压影响的松动圈折算值，mm;

L2——锚杆锚入弹塑性区的深度，取300 mm。

式中 Lp——考虑受动压影响的松动圈折算值，mm;

k——采动巷道松动圈折算系数，取0.82;

Lpd——实测采动松动圈大小，取实测值的均值1400 mm。

故锚杆长度L=L1+Lp+L2=100+1148+300=1548 mm，锚杆长度取值为1600 mm。

3.1.2 锚杆间排距的确定

采用等距离布置，每根锚杆所负担的岩体重量为其所承受的载荷，可按φ16玻璃钢锚杆计算:

式中 Q——单根锚杆负担岩石重量，1510kg;

γ——岩体的容重，1388kg/m3;

Lp——考虑受动压影响的松动圈折算值，1148 mm;

a——锚杆的间排距。

考虑煤层的强度较低，两帮锚杆间排距取0.8m。

3.2 顶板锚杆支护参数设计

根据《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》［5］，3、4#复合煤层巷道围岩稳定性类别为Ⅲ类中等稳定，3、4#复合煤层巷道顶板锚杆支护宜采用悬吊理论的设计思路［6］。

3.2.1 锚杆长度的确定

式中 l——锚杆的总长度，m;

l1——伸入老顶的长度，取30cm;

l2——锚固层厚度，根据3、4#复合煤层顶板情况，l2取直接顶厚度1.6m。

l3——锚杆外露长度，取10cm;

3.2.2 锚杆支护载荷大小的确定

直接顶通过锚杆悬吊于老顶之上，锚杆承载大小依据直接顶计算:

式中:Q——锚杆支护载荷，t;

h——直接顶厚度，1.6m;

γ——直接顶平均重力密度，2.586t/m3。

3.2.3 锚杆间排距确定

按φ18MnSiⅡ螺纹钢锚杆(杆尾强化热处理)计算，顶板锚杆布置密度为:

式中 n——单位面积(每平方米)顶板需布置锚杆根数;

K——安全系数，较稳定顶板K取1.7;

Q——锚杆支护载荷，t;

F——锚杆锚固力，t。

通常情况下间排距相等，顶板锚杆间、排距均取1m。

3.3 煤层巷道支护方案设计

根据《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》及顶板、两帮锚杆参数设计，考虑巷道锚杆基本支护形式以及巷道具体施工条件，设计煤层巷道支护方案。

1)材、运两巷顶板采用金属网+钢筋托梁+螺纹锚杆进行联合支护，两帮采用金属网+木托板+玻璃钢锚杆进行护帮。

2)巷道顶板采用φ18 mm，L2000 mm螺纹钢锚杆支护，配套使用Z2355型树脂锚固剂(快速药卷在上部，中速药卷在下部)。顶部锚杆呈矩形布置，除两根边角锚杆呈75°向帮内倾斜外，其余均垂直于顶板布置，两边角锚杆使用楔形托盘。

3)巷道两帮采用φ16 mm，L1600 mm玻璃钢锚杆支护，配套使用Z2355型树脂锚固剂。帮锚杆呈矩形布置，均垂直于两帮布置。

4 结论

对双柳煤矿3306工作面回采巷道松动圈测试，并以测试结果为依据进行巷道支护方案设计，得出以下主要结论:

1)采用超声波无损检测分析仪进行围岩松动圈测试，测试结果显示，从孔口到孔底煤体中波速有增大的趋势，在靠近孔底处声速变化趋于平缓。对材料巷道进行了五个测站的测试分析，得出松动圈在距孔口1.4m左右的范围内。

2)根据围岩松动圈理论、《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》对两帮及顶板锚杆参数进行计算，顶板锚杆长2m，间排距1m，两帮锚杆长1.6m，间排距0.8m。

3)确定材、运两巷顶板采用金属网+钢筋托梁+螺纹锚杆支护、两帮采用金属网+木托板+玻璃钢锚杆支护的联合支护方案。

［1］ 陈铁军.巷道围岩松动圈支护理论在羊场湾煤矿的应用研究［D］.西安:西安科技大学，2005.

［2］ 董方庭，宋宏伟，郭志宏，等.巷道围岩松动圈支护理论［J］.煤炭学报，1994，19(1):21－32.

［3］ 石建军，马念杰，闫德忠，等.巷道围岩松动圈测试技术及应用［J］.煤炭工程，2008，(3):32－34.

［4］ 郭志宏，周希圣，何胜春.巷道支护的围岩松动圈分类方法［J］. 建井技术，1994，(4、5):10 －13.

［5］ 刘玉堂，侯朝炯，姚建国，等.我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案［J］.煤炭科学技术，1988，(5):2－5.

［6］ 贾云波，李学文.锚杆支护理论的探讨［J］.水力采煤与管道运输，2011，(1):83 －85.