华烨煤矿4号煤层总回风大巷支护设计实践

陈学文

（煤炭工业吕梁地方煤矿建设工程质量监督站，山西吕梁 033300）

华烨煤矿4号煤层总回风大巷支护设计实践

陈学文

（煤炭工业吕梁地方煤矿建设工程质量监督站，山西吕梁 033300）

根据华烨煤矿4号煤层总回风大巷的地质、生产条件及服务年限,采用工程计算法进行了锚杆支护设计，选定了支护材料及参数，进行了有效的支护效果和动态质量监测，结果表明设计的支护参数能较好地满足生产要求。

总回采大巷;支护设计;质量监测

锚杆支护具有“主动”支护、支护成本低、控制围岩效果好等优点，是当今世界巷道支护技术的主要发展趋势。实践证明，锚杆支护的关键是支护形式的合理选择和支护参数的科学设计，以充分围岩自身的承载能力，进行耦合支护。本文以山西临县华烨煤业有限公司4号煤层总回风大巷为例，采用工程计算的方法，设计出各种支护参数，并通过实践验证了设计的可靠性。

1 井田概况

华烨煤业煤业井田位于鄂尔多斯盆地东缘的河东煤田中段。井田南北长3.5 km，东西宽2 km，面积7.0 km2。井口标高+850 m，现开拓一水平，水平标高为+575 m，联合开采2号、4号煤。其中4号煤层顶板以泥岩、细砂岩为主，个别为砂质泥岩、粉砂岩，据三交详查区24号孔细砂岩顶板试验结果：抗拉强度2.40 MPa，抗剪强度3.90 MPa。底板大部为泥岩、砂质泥岩、局部为粉砂岩。顶板岩层普氏系数取为4.2。煤层顶底板岩性综合柱状示意图，见图1。

4号煤总回风大巷标高+628 m，设计长度186 m。4号煤总回风大巷断面设计为矩形,巷道掘进高度为4.0 m，宽度为5.0 m，掘进断面为20.0 m2。服务年限34 a。

2 4号煤层总回风大巷的锚固参数设计

2.1 4号煤层总回风大巷顶板锚固参数确定

4号煤层总回风大巷沿煤层底板掘进，4号煤层厚度为1.91～2.1 m，巷道掘进高度为4.0 m，宽度为5.0 m，掘进断面为20.0 m2，为半煤岩巷道。根据华烨煤矿地质报告，顶板岩层平均容重取26 kN/m3，顶板岩体的普氏系数为4.2；两帮煤层内摩擦角取30°，单根顶锚杆最小锚固力取100 kN，单根帮锚杆最小锚固力取50 kN。

1）顶板支护载荷集度q：

式中：H为巷道高度，4 m；φb为巷帮煤及岩体内摩擦角，30°；b为巷道宽度，5 m；γ为直接顶容重，26 kN/m3；f为直接顶损坏厚度，0.5 m。2）顶板锚杆布置密度n:

式中：q为载荷集度,58 kPa；K为安全系数，一般为1.5～2，取1.8；K'为变形载荷系数，取1.2；F为锚杆设计锚固力,100 kN。

顶锚杆布置间、排距a：

根据4号煤层总回风大巷的断面参数，取顶锚杆排距为0.8 m，间距为0.8 m，每排7根锚杆，靠近两帮的锚杆距离巷帮0.1 m，并且分别向巷帮倾斜约20°。

3）锚杆长度的确定：

顶板锚杆长度l为

l=l1+l2+l3=2.14 m，取为2.3 m。

式中：l1为锚杆外露长度，0.1 m；l2为锚杆有效长度，m；l3为锚入岩层深度，一般大于0.3 m。

锚杆有效长度l2为

4）锚固长度的确定：根据顶板岩层锚固条件，锚固长度l3最小为

5）锚杆直径的确定：

根据顶板岩层条件，选取螺纹钢锚杆，该锚杆的屈服应力为400 MPa。锚杆的直径为

式中：Q为设计锚杆锚固力，100 kN；σt为锚杆屈服强度，MPa；因此，锚杆的直径选取为18 mm。

6）锚杆锚固剂的选取：

根据设计锚固长度按下式计算锚杆锚固需要的药卷长度Ly为

式中：Ly为树脂药卷总长度，m；Rm为锚杆半径，mm；Ry为树脂药卷半径，mm；K为锚固剂损耗系数，取K=1.1～1.15；R为钻孔半径，mm。

根据计算结果，选取型号为CK2360和Z2340的树脂药卷各1卷。

依上述分析，若选用的锚杆设计锚固力为100 kN，则4号煤层总回风大巷顶板锚固参数可确定为：锚杆长度2.3 m；锚杆间距0.8 m；锚杆排距0.8 m；锚固长度0.71m；设计锚固力100kN；预紧力30kN。

7）锚索参数的确定：

取锚索排距为1.6 m，每排打2根锚索，间距为2.4 m。锚索最小锚固长度l0=1.36 m.

根据设计锚固长度按下式计算帮锚杆锚固需要的药卷长度Ly：

式中：Ly为树脂药卷总长度，m；Rm为锚杆半径,mm；Ry为树脂药卷半径，mm；K为锚固剂损耗系数，取K=1.1～1.15；R为钻孔半径，mm。

根据计算结果，选取型号为CK2360和Z2340的树脂药卷各2卷。

锚索最小长度l：l=2.5l0+H+l'=6 m，取为7.0 m。式中：H为载荷体高度，取2.3 m；l'为锚索外露长度，一般取0.3 m。

2.2 4号煤层总回风大巷两帮锚固参数确定

1）两帮所需要的锚固强度p：

式中：q为两帮可承载锚固体所受载荷集度。

b'为巷道等效跨度：

两帮可承载锚固体厚度l3：

2）锚杆布置密度n：

帮锚杆布置间、排距a：

根据4号煤层总回风大巷的断面参数，取帮锚杆排距为0.8 m，间距为0.8 m，每排5根锚杆，上、下帮锚杆距离顶底板0.4 m，并且分别向顶、底板倾斜约20°。

3）锚杆长度l：l=l1+l2+l3.

其中，锚固段长度l2：

锚杆外露长度为l'，根据锚杆施工工艺，一般取0.1 m。

锚杆总长度l=l1+l2+l3=1.355 m，取为1.8 m。

4）锚固剂的选取。根据设计锚固长度按下式计算帮锚杆锚固需要的药卷长度Ly：

式中：Ly为树脂药卷总长度，m；Rm为锚杆半径，mm；Ry为树脂药卷半径，mm；K为锚固剂损耗系数，取K=1.1～1.15；R为钻孔半径，mm。

根据计算结果，选取型号为CK2360的树脂药卷1卷。

依上述分析，若选用的锚杆设计锚固力为50 kN，则4号煤层总回风大巷两帮锚固参数可确定为：锚杆长度1.8 m；锚杆间距0.8 m；锚杆排距0.8 m；锚固长度0.355 m；设计锚固力50 kN；预紧力20 kN。

2.3 4号煤层总回风大巷锚固方案

根据以上计算，结合巷道断面尺寸，确定4号煤层总回风大巷支护方案。4号煤层总回风大巷支护图，见图2。

3 巷道支护的监测

3.1 支护效果检测

该工程2011年4月份掘完并按要求进行了支护（包括喷浆100 mm），完工后工在该巷道相隔30 m设了两组测点监测巷道变形，每组测点埋设4个点分别为顶底和两帮。每4 d监测一次，共监测4个月即122 d，硐室围岩变形测点监测图，见图3。

从图中可以看出，顶板下沉量累计最大为43.6 mm，平均下沉速率仅为0.36 mm/d；硐室的底臌量累计最大为75.7 mm，平均速率为0.63 mm/d；两帮位移量累计最大为86.78 mm，平均速率为0.72 mm/d；顶底位移量累计最大119.4 mm，平均速率则为0.99 mm/d。且从图中可以看出，巷道在掘出后80 d时间内变形较为明显，到3个月后巷道变形趋于稳定。现场观察发现，巷道除两帮底角喷砼局部出现轻微鼓裂外，其余部位均无明显变化。实践表明，该支护设计完全能满足大断面半煤岩巷道支护稳定的要求。

3.2 支护质量动态监测

1）锚杆(索)预紧力检查。在巷道掘进施工过程中，安排专人按不小于30%的比例和不大于1 d的时间间隔，用力矩示值扳手对锚杆（索）预紧力进行抽测。

2）锚杆（索）锚固质量的巡回检查。每隔一定时间（2 d）对巷道锚杆（索）进行巡回式检查一次，对失效的锚杆（索）应及时补打，对托盘松动的要及时紧固，对局部偏帮或小范围漏顶处要及时处理。

3）锚固力的拉拔检查。检查锚杆（索）锚固力应该在现场进行拉拔试验。对于锚杆，每100根或100根以下随机抽样检查4根（顶板2根，两帮各1根）。锚杆拉拔加载力按照锚杆设计锚固力的80%进行加载，其中若有1根被拉拔松动，不合要求，再抽样3根（顶板、两帮各1根）进行试验，若再发现不合格锚杆，应通知矿总工程师或者主管副矿长进行原因分析，并及时采取处理与补救措施。

对于锚索每20根张拉5根，拉拔加载力按照锚杆设计锚固力的80%进行加载，若发现有1根锚索张拉时有伸长现象，再张拉10根，若仍有伸长现象，应通知矿总工程师或者主管副矿长进行原因分析，并及时采取处理与补救措施。

4）顶板离层动态监测。利用顶板离层指示仪对顶板不同层位的下沉量进行监测，以便随时掌握顶板的稳定状态：a.对顶板离层情况提供直观显示，及早发现顶板失稳的征兆，以避免冒顶事故的发生。b.监测数据可以作为修改完善锚杆支护初始设计参数的重要依据。

在总回风大巷掘进中，每隔30 m安设一组顶板离层指示仪，每组安设2套，间距2 m。每个测孔中放置1套2个测点，1个深基点，1个浅基点，其中深基点深度比锚索孔深0.5～1 m，浅基点深度比锚杆孔深0.3～0.6 m。分别测量锚索锚固范围内和锚杆锚固范围内的顶板离层量随时间和位置的变化情况。

4 结束语

1）锚杆支护设计是一个系统的动态过程。要充分的利用每一个过程中提供的信息，包括巷道围岩情况调查和地质力学评估、以理论计算为主的初始设计及井下日常检查与专项监测信息。根据信息收集和反馈修正设计。

2）矿井地质条件是千变万化的，特别注意地质条件变化时，需要及时调整支护参数，要十分重视锚杆、锚索的支护质量检查与受力监测，发现问题及时纠正。

3）要重视和保证锚杆、锚索预紧力达到设计要求；要重视和保证联网质量与喷射混凝土对顶板的封闭质量；要重视和保证安装锚杆时对锚杆钻机高速旋转的时间要求；要重视和保证定期对树脂锚固剂及其他锚固构件性能参数的检查与测定。

4）在遇到地质构造带，顶板淋水段及煤层变厚区域等困难条件时，要加密或加长锚杆锚索，必要时加套台棚注浆加固，以确保安全。

5）在施工经验和检查与监测资料的累积基础上，要不断地总结经验，进一步完善华井下巷道锚固设计方法及支护参数的选取。确保巷道支护长久稳定。

Support Design for Chief Return-air Roadways in Seam No.4 of Huaye Mine

CHEN Xuewen
(Lvliang Quality Supervision Station of Mine Construction for Coal Industry,Lvliang 033300,China)

Based on the geology,working condition,and service life of chief return-air roadways of seam No.4,Huaye mine,engineering calculation method was used in the design of bolt support and the selection of support materials and parameters.Then,the monitoring on support effect and dynamic quality showed that the support parameters could meet the requirement of production.

chief return-air roadways;support design;quality supervision

TD353

A

1672-5050（2015）02-0039-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.013

（编辑：刘新光）

2015-01-21

陈学文（1974-），男，山西平遥人，大学本科，工程师，从事采矿工程质量监督工作。