6201切巷巷道支护方案设计研究

杨海鹏

（山西寿阳潞阳祥升煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

1 概况

6号煤层位于山西组下部、3号煤之下11.22m，根据地质报告及6号煤层资源/储量估算图，6号煤层在可采范围内21个钻孔统计煤层厚度1.35～2.31m，平均厚度1.86m。可采性指数0.917，变异系数21.68%，属大部可采稳定煤层。6号煤层采用长壁综合机械化采煤方法。

根据山西省三水实验测试中心对矿井顶、底板岩石力学进行的测试，测试结果：6号煤层顶板岩性为泥岩，厚5.0m，极限抗压强度（湿）为19.1～24.7MPa，抗拉强度为 1.6～1.9MPa。底板岩性为砂质泥岩，厚7.0m，极限抗压强度（湿）为55.2～64.1MPa，抗拉强度为 2.9～3.1MPa。

2 工程类比分析

根据6201切巷煤层顶底板岩层结构和提供的地质资料，获得祥升煤业6201切巷巷道围岩稳定性分类相关参数及其变化范围，见表1所示。

表1 6201切巷巷道围岩稳定性分类基本参数

根据围岩稳定性分类方案，得出祥升煤业6201切巷巷道围岩稳定性总体上属于Ⅳ类不稳定围岩。

3 支护方案的理论计算及选择

结合祥升煤业6号煤层围岩物理力学性质、围岩的岩层条件及实际开采条件，锚杆支护设计可以利用自然平衡拱理论、松动圈支护理论及经验公式设计方法。

3.1 基于自然平衡拱理论的计算

（1）围岩破坏范围

煤层巷道煤帮破坏深度C（m）由下式确定：

顶板岩层的破坏深度b（m），按相对于层理的法线计，可根据下式求出：

（2）围岩压力

当C为正值时，作用在破坏煤帮一侧支架上的压力Q（kN/m）为：

顶板支架压力QH（kN/m），按相对于岩层层理的法线确定为：

（3）锚杆长度

顶锚杆长度：Lr=b+Δ=1.3+0.7=2.0m

帮锚杆长度：Ls=b+Δ=0.59+0.7=1.29m

（4）锚杆间排距

锚杆排距ɑr按照下式求出：

锚杆锚固力P（kN）取决于岩石硬度，按下式计算：

顶板每排锚杆数Nk根据作用力平衡条件按下式求出：

当C为正值时，煤帮锚杆排距按下式求出：

3.2 基于围岩松动圈理论的计算

结合工程类比，确定6201切巷开采期间的松动圈范围为1.2～1.4m，属于中松动圈，悬吊理论是确定支护参数较好的方法，锚杆的悬吊点是松动圈外的未松动岩层或煤层。

松动圈理论确定锚杆支护参数如下：

（1）锚杆的长度

依据悬吊作用原理，锚杆长度可按下式计算：L=L1+L2+L3

因此，锚杆长度为L=2.0m。

（2）锚杆的间排距

锚杆间排距，往往是根据锚杆间岩体的完整情况及工程类比法确定，结合6号煤一采区支护方式，确定顶锚杆的间排距为0.9m×1.0m，帮锚杆的间排距为1.2m×1.0m。

（3）锚杆的直径按下式计算：

锚杆直径应满足d≥0.0177m。

3.3 经验公式计算

（1）顶锚杆长度：L顶=N(1.5+B/10)

经计算，锚杆长度1.85m。

（2）帮锚杆长度：L帮=L1+L2+L3

① 锚杆外露长度L1的确定：L1=垫板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m

一般取L1=0.15m。

② 锚杆有效长度L2的确定：

则，L2=1.5m

③ 锚杆锚固长度L3的确定：L3=0.3～0.4m，取0.35m。

则L=L1+L2+L3=0.15+1.5+0.35=2m

（3）锚杆的间距根据锚杆间岩体的完整情况及工程类比法确定，锚杆间距一般可取0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m和1.2m。

（4）锚杆排距：

则锚杆排距为1.12m。帮锚杆排距与顶锚杆排距一般保持一致。

（5）锚杆直径：d=L/110

则锚杆直径为0.01m。

自然平衡拱理论、围岩松动圈理论及经验公式法的汇总为表2。

3.4 工字钢支护设计参数

6201切巷巷道位于3号煤层采空区下方，为了加强巷道的支护、抑制或减少围岩移动，增强巷道抗变形能力，设计对该巷道采用工字钢棚+锚网索的复合支护方式进行支护，工字钢采用矿用11号工字钢，锚杆、锚索和金属网参照理论计算和工程类比结果选择参数。

表2 6201切巷巷道锚杆支护参数理论计算结果

3.5 确定支护方案

依据理论计算和工程类比结果，确定6201切巷巷道采用工字钢棚+锚网索支护相结合的复合支护方式，巷道支护平面图、剖面图分别如图1、图2所示。

（1）顶板支护

锚杆形式和规格：杆体为Φ20×2400mm的高强度左旋螺纹钢筋，杆尾螺纹强化，屈服强度335MPa，抗拉强度490MPa，破断载荷153.9kN。锚杆布置：锚杆间排距为900×1000mm；中间锚杆全部垂直顶板安装，两侧锚杆与水平面呈70°安装。锚索形式和规格：锚索采用Ф15.24×6300mm低松弛预应力钢绞线，每排三根，间排距：2000×2000mm。网片规格：采用10#铅丝经纬网，网孔规格为40×40mm，顶板网幅为1100×4000mm，网片之间采用16#铅丝联接，双丝双扣，捆绑不少于三圈，孔孔联接，并梳理成辫，网片搭接长度不少于100mm。

（2）两帮支护

帮锚杆形式和规格：杆体为Φ20×2000mm的高强度左旋螺纹钢筋，杆尾螺纹强化，屈服强度335MPa，抗拉强度490MPa，破断载荷153.9kN。锚杆布置：锚杆间排距为1200×1000mm；靠近顶板的帮锚杆与水平线呈15°，靠近底板的帮锚杆与水平线呈15°，其余与巷帮垂直。网片规格：采用10#铅丝经纬网，网孔规格为40×40mm，巷帮网幅为1100×2800mm，网片之间采用16#铅丝联接，双丝双扣，捆绑不少于三圈，孔孔联接，并梳理成辫，网片搭接长度不少于100mm。钢筋托梁规格为：Ф14B80L2600mm，用Ф14钢筋加工制作。

4 支护效果

通过双针压力表监测围岩动态情况，如图3所示。

经过现场围岩动态监测，支架支护阻力显示，最大工作阻力32MPa，巷道支护效果良好，锚杆预紧扭矩150N·m，巷道有较强的抗变形能力，为工作面的有序接替提供了良好的条件，保证了矿井的安全高效开采。

图1 6201切巷支护平面图（单位：mm）

图2 6201切巷支护剖面图（单位：mm）

图3 支架支护阻力