阳坡泉煤矿10号煤层回采巷道支护设计

黄庆国，李淑珍

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；2.山西大同大学新平旺校区图书馆，山西大同 037003）

近年来我国煤矿生产规模和开采强度与日俱增，回采巷道的断面尺寸持续增加，随之而来的是由于巷道尺寸加大导致巷道围岩控制难度提升，大断面的回采巷道在原岩应力和采动应力的双重作用下变形加剧，冒顶事故时有发生，导致巷道严重片帮，控顶高度加大，回采巷道的支护成本和维修费用增加，严重影响煤矿安全生产和效益提升[1-3]。锚杆、锚索联合支护已是这类巷道安全可靠的支护形式，首先要科学合理的确定支护参数，其次要保证锚杆锚索的施工质量达到设计要求，否则会导致巷道围岩破坏失稳而发生冒顶事故的重大安全生产隐患[4-7]。以阳坡泉煤矿10号煤层回采巷道支护设计为工程背景，分析了煤层的赋存条件和现有回采巷道的使用现状，通过理论计算得出了巷道两帮和顶板的松动破坏范围，在此基础上提出了合理的巷道支护形式和支护参数。

1 巷道工程条件

阳坡泉煤矿设计回采巷道位于该矿首采区104综采工作面，该采区开采10号煤层，属于稳定厚煤层；煤层结构简单，节理发育。煤层位于二叠系太原组上部，煤层厚度1.96 m～7.38 m，厚度变化大，平均厚度4.28 m，结构复杂，含0～4层夹矸，稳定可采，煤层倾角3～10°(依据矿井初步设计)。10号煤层的直接顶板为平均厚度为6.05 m的砂质泥岩，泥岩之上为平均厚度0.71 m的9号煤层，9号煤层之上为平均厚度3 m的中细砂岩，砂岩之上是4 m的泥岩，泥岩之上为平均厚度达到12.80 m的S4砂岩。10号煤层底板为平均厚度12.01m的泥岩。煤层综合柱状，见图1。

图1 煤层综合柱状图

本采区10号煤层煤的物理力学参数没有试验数据，参照周边类似赋存条件的煤层，煤的容重1.36～1.66 t/m3，煤层硬度系数2，单向抗压强度为5.21 MPa，煤层的内摩擦角为42.5°，属于较软煤层。

2 回采巷道支护现状及新设计巷道断面尺寸

目前，10号煤层综采工作面回采巷道支护形式为锚杆、锚索、菱形金属网（顶网）联合支护（巷道两帮无支护），锚杆杆体Φ16 mm，锚杆长度1 800 mm，锚杆间距为1.15～1.25 m；锚索规格为Φ15.24×8 000 mm，锚索间距2 m，排距3 m。巷道两帮无支护。

现封闭的10105综采面顺槽密闭墙外煤壁有片帮，范围不大，有小面积的几处，顶板铺的菱形网，无钢带、无梯子梁，也没有发现有离层现象，个别地方有顶煤掉包现象，其他支护方面隐患没发现。

10号煤层强度低，新设计顺槽巷道的直接顶板为平均厚度0.78 m的顶煤，顶煤之上是砂质泥岩，抗压强度低，上覆0.71 m厚的9号煤层，属于符合顶板，巷道存在支护困难，巷道围岩变形量大、受采动影响大。根据井下实际情况和松软围岩的锚固支护理论研究成果及10号煤层围岩状况进行10号煤层回采巷道顶板锚固支护设计，回采巷道选择“金属网＋预应力锚杆＋W钢带＋锚索补强”联合锚固支护方式。

阳坡泉煤矿生产能力由300 kt/a增加到1 200 kt/a，全部更新了掘进及采煤设备。原有的回采巷道满足不了生产能力提升后煤炭运输、设备材料运输、通风安全的要求，回采巷道设计断面由4.4×3.0 m提高到5.0×3.5 m，为此需要对增大断面后的运输和回风平巷进行支护形式和支护参数的设计，以保证回采工作面的安全生产、运输和通风要求。阳坡泉煤矿新设计综采工作面顺槽巷道断面形状参数，见表1。

表1 新设计回采巷道形状及尺寸

3 阳坡泉煤矿10号煤层巷道支护参数计算

理论研究、地质雷达探测和数值模拟表明，煤层巷道围岩破坏的区域呈现拱状，巷道破坏范围轮廓可近似简化拱状结构，见图2。

图2 煤巷定量设计模型

根据煤层柱状图和顶板岩层分布状态分析，阳坡泉煤矿10号煤层巷道顶板有顶煤层0.78 m，其上为泥岩，巷道宽度5.0 m，对于这种复合的顶板只使用锚杆支护很难起到安全有效加固作用，必须选用较长的预应力锚索与锚杆联合加固方案。

3.1 巷道顶、帮破坏区域分析

（1）巷道两帮破坏范围。阳坡泉煤矿回采巷道直接顶为顶煤，其上是砂质泥岩，构成复合顶板，其垮落形状为拱形，见图3。

图3 巷道顶帮破坏区域图

回采巷道两帮形成的破坏范围按下式确定：

式中：Kc为巷道周边挤压应力系数，一般取3.0；γ为巷道岩层的平均容重；K为采动影响系数；σm为煤帮单向抗压强度，MPa；h为巷道高度，m；H为埋深，m；ϕ为煤层内摩擦角，（°）。

当宽高比5.0/3.50＝1.428时，KC=3.0；10号煤层煤的容重的最大值γ=1.66 kN/m3，两侧为实体煤，取K=1；煤的单向抗压强度σm=5.21 MPa；煤层的内摩擦角ϕ=42.5°；巷道高度h=3.50 m；根据本矿ZK51-1钻孔推断巷道最大埋深为H＝165 m。

将上述参数代入式中得：

（2）巷道围岩最大破坏范围可按下式预计：

式中：fm为帮煤的普氏系数；a为巷道的半跨距，m。

将fm＝2.0，a＝2.50 m，c＝0.89 m代入得：

3.2 锚杆支护参数

（1）帮锚杆长度。煤层巷道两帮的支护位置，可取在破坏范围的2/3处，作为两帮锚杆支护长度的最小值，巷道两帮的全部破坏范围作为支护长度的最大值。因此，为了安全考虑，两帮锚杆有效锚固范围取其破坏范围的最大值，虑到外露部分长度需要0.2 m，帮锚杆长度实际选用1.80 m。

（2）顶锚杆长度。同样，沿着支护合力作用点为端点形成的拱高b1作为顶板锚杆支护最短长度，顶板在支护条件下全松动范围拱高作为锚杆支护的最大长度，顶板锚杆有效长度为1.15～1.70 m，取最大值并考虑外露端长度0.2 m，则顶板锚杆的实际长度取为2.0 m。

（3）锚固长度与锚固剂。阳坡泉煤矿回采巷道锚杆支护设计选择锚杆杆体公称直径为22 mm，锚杆的锚固力190 kN，极限拉断力为265 kN，延伸率为17%，杆尾螺纹规格为M24 mm。配套高强度拱型托板，力学性能与锚杆杆体配套，拱型托板规格为150×150×10 mm，并与W形钢带配套。设计锚固力取100 kN，顶板锚杆需要的锚固长度为：

式中：Pm为设计锚固力，取100 kN；R为锚杆孔半径，取14 mm；τ为树脂药卷与钻孔壁的粘结强度，取τ＝1.8 MPa。

需要的锚固药卷长度：

式中：R1为锚杆杆体的半径，取11 mm；R2为树脂药卷的半径，取11.5 mm。

设计每根锚杆配套一支MSCK2355药卷，药卷总长550 mm，则实际的锚固长度为：

每根锚杆的实际锚固力为：

PM=2πRτL0=2×3.14×14×1.8×0.97=153 kN满足要求。

（4）顶板锚杆间排距。巷道顶板锚杆布置数目要满足两个条件：首先是要完全承受拱内岩石重量，其次是要锚杆杆体的抗剪强度满足要求。

为了平衡拱内岩石重量所需锚杆间排距S1可按下式计算：

式中：RT为锚杆的实际锚固力，取RT＝100 kN/根；k为安全系数，取k＝2；γ为顶板岩层平均密度，取γ＝25.0 kN/m3。

将上述参数代入得：

校核杆体抗剪强度所需锚杆间距S2可按下式计算：

式中：d为锚杆直径，按Φ22 mm计算；k2为顶板抗剪安全系数，一般取k2＝2；P0为锚杆锚固力；τ为锚杆抗剪强度，根据所选锚杆技术参数为300 MPa；2a为巷道跨度，取2a＝5.0 m；l顶为顶板锚杆有效锚固长度；f为分层间摩擦系数数，取f＝0.3。

将上述参数及γ＝25.0 kN/m3、l顶＝0.97 m代入得：

取S1、S2的最小值作为顶板锚杆支护间排距，则有：

于是，顶板锚杆数目：5.0/1.15=4.35根，考虑到施工的方便及安全，顶板锚杆数目取5根，间排距选择选取1 000 mm。帮锚杆的间距700 mm，排距750 mm，三排五花式布置。

3.3 锚索加固参数

阳坡泉煤矿综采工作面顺槽巷道锚索补强支护选择KP19-1/1720普通型矿用锚索。锚索直径为18.96 mm，钢绞线抗拉强度为1 720 MPa。

（1）锚索长度、间距。阳坡泉煤矿10号煤层综采工作面顺槽巷道高度3.5 m，10号煤层平均厚度为4.28 m，巷道顶煤厚度约0.8 m，其上为6.08 m的泥岩，泥岩之上为2.0 m的中细砂岩。巷道支护锚索要在坚硬岩层保持一定的锚固长度，用以确保锚索的锚固力，针对阳坡泉煤矿回采巷道实际情况，确定锚索有效长度为8.0 m，锚索外露长度选取0.3 m，锚索总长度为8.30 m。10号煤层回采巷道支护锚索排距3.0 m，锚索间距1.50 m，沿回采巷道巷道顶板顶板垂直布置，能保证锚索锚固到回采巷道上部中细砂岩的长度为1.20 m左右。在实际应用时，要经常向巷道顶板打垂直钻孔，探测顶板煤岩层厚度变化情况，以便随时调整锚索的长度，保证锚固到细粒砂岩顶板的长度有保证，确保巷道支护的安全。

（2）锚索排距及锚固力。巷道支护中锚索加固支护的作用是维护巷道顶板下沉形成“内拱”的稳定。取间隔3排锚杆打1排锚索，锚索排距3.0 m，每根锚索的锚固力为：

即需每根锚索的锚固力不低于216.25 kN/根，选取的锚索满足要求。

（3）锚索的预紧力。在巷道支护中实施预应力锚索支护时，锚索的预应力应是锚杆设计载荷值的1.0～1.3倍，故确定锚索的预应力为100 kN。

（4）锚固长度与锚固剂。设计选用锚索为高强度低松驰预应力钢绞线，直径18.90 mm，取Pm＝250 kN，τ＝3 MPa。则锚固长度为：

需要的锚固卷长度：

设计每根锚索配套一支CK2360药卷和一支K2360药卷（超快速药卷在上部，快速药卷在下部），药卷总长1 200 mm，则实际的锚固长度为：

每根锚索的实际锚固力为：

PM=2πRτL0=2×3.14×14×3×1.48=390 kN

3.4 确定回采巷道锚杆、锚索支护参数

3.4.1 锚杆参数

（1）顶板锚杆。锚杆+W型钢带，锚杆长度2.20 m，杆体为Ф22 mm的左旋无纵筋螺纹钢，设计每根锚杆配套一支CK2355，进行端部锚固，锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm。W形钢带规格：厚度为3 mm，宽度为250 mm，长度为5 000 mm。锚杆角度：顶板锚杆安设角度垂直布置。

（2）两帮。选择普通螺纹钢锚杆，长度为1 800 mm，直径为18 mm，采用1支K3537树脂药卷，间、排距为700×750 mm，三排五花式布置。

3.4.2 锚索参数

单根钢绞线，直径为18.89 mm，长度为8 300 mm，每根锚索配套一支CK2360药卷和一支K2360药卷（超快速药卷在上部，快速药卷在下部），药卷总长1 200 mm。锚索间距1.50 m，排距3.0 m。

根据阳坡泉煤矿10好煤层回采巷道的顶板情况，由于顶煤的存在导致符合顶板的形成，为确保巷道安全使用，要根据顶板变化情况，对锚索长度做出及时调整，使其锚固到巷道上部中细砂岩层的长度不小于1 000 mm。回采巷道锚固支护参数布置图，见图4、图5。

图4 10号煤层巷道顶板锚杆、锚索支护参数

图5 10号煤层巷道帮锚杆支护参数

4 结语

按设计的10号煤层回采巷道支护形式和支护参数施工后，巷道两帮移近量最大为150 mm，和巷道顶板下沉量最大为65 mm，回采巷道的维修工程量比设计前降低了50%，保证了综采工作面的安全生产。