莒山煤矿巷道顶板支护设计研究

郭晓峰，刘 忍，刘世凯，任玉红，杨 牧，刘姿壮，王金红

(1.山西兰花集团 莒山煤矿有限公司，山西 高平 048002；2.徐矿集团 庞庄煤矿芦家窑项目部，山西 朔州 036800；3.中煤华晋集团 韩咀煤业有限公司，山西 临汾 043700)

我国大多数煤矿采用井工开采，需要在井下开挖很多巷道，巷道支护也就成为了影响煤矿生产的重要因素[1]。巷道支护一是为了确保巷道围岩体的稳定性；二是为了给煤矿生产提供良好的工作空间；三是为了保护人与物的安全[2-3]。由于各煤矿地质条件不同，因此联合支护的方式也有所差异[4]，那么如何根据煤矿各自的地质条件设计出与之相符的支护方案就成为各煤矿需要解决的重要问题[5]，本文根据莒山煤矿的地质条件，通过理论分析与实践结合的方法设计出4-2煤层巷道顶板支护方案，不仅为莒山煤矿的生产工作提供了稳定的作业空间，同时也为巷道支护理论提供了一定的实践经验。

1 生产地质情况介绍

莒山煤矿位于晋城市泽州县，目前回采4号煤层，而4号煤层在井田内分叉为4-1号和4-2号煤层，4-1号4-2号煤层平均煤厚分别为9.37 m、3.5 m，两层相距平均为5.8 m。现矿井4-1号煤层已采完，采掘生产已进入4-2号煤层开拓准备、布面生产阶段。4-2号煤层结构简单，顶板为粉砂岩、泥岩及砂砾岩，底板为泥岩、砂砾岩及炭质粉砂岩，中间含1～2层夹矸，厚0.2～0.4 m。工作面两巷道设计断面均为矩形，胶带巷与轨道巷宽度分别为5.0 m和4.0 m，高度为3.2 m。因4-1号煤层和4-2号煤层距离较近，下部4-2号煤层巷道布置将不可避免地受到上覆4-1号煤层开采矿山压力的影响，为确保4-2号煤层采掘过程中顶板支护安全，特对4-2煤层开采巷道布置、支护方式进行分析研究和设计。

2 支护设计

由地质资料分析可知，为了确保巷道围岩体的稳定性，该矿应采用锚杆、索、钢带联合支护。

2.1 轨道巷锚杆的选取

采用悬吊理论对锚杆支护参数进行确定。

2.1.1 长度的选取

长度为L=L1+L2+L3

式中:L为锚杆全长，m；L1为外露长度；L2为有效长度，m；L3为锚杆锚固长度，m。

1)L1=垫板厚度+螺母厚度+(0.02～0.03)m，取0.15 m。

2)L2由普式自然平衡拱理论确定，由于实测煤的坚固性系数为1.9，小于2，因此采用下式确定：

巷道顶锚杆有效长度L2的确定：

L2=1/f[B/2+Hcot(45°+φ/2)

=1/1.9[4.5/2+3cot(45°+67°/2)]

=1.17 m

巷道帮锚杆有效长度L2的确定：

式中:φ为内摩擦角，44.2°；H为巷道掘进高度,m；B为巷道跨度，m；f为普氏系数。

3)L3一般为0.3～0.4 m。

根据上述公式得顶锚杆长度为1.72 m，取2 m；帮锚杆长度为1.75 m，取1.8 m。

2.1.2 间排距的选取

间排距为D≤0.5L=0.5×2=1 m，考虑现场施工方便，取间排距相等，因此，锚杆间、排距均为1 m。

2.1.3 直径的选取

根据公式d=L/110，确定顶锚杆直径为19 mm，取20 mm；帮锚杆直径为16 mm。从安全考虑，同时为了统一制造，取18 mm。

2.1.4 锚固力的验算

根据下式可确定锚杆锚固力为：

Q=KL2D2r=3×1.9×1.252×1.2=10.7 t

式中：r为视密度，t/m3；L2为锚杆有效长度，m；K为锚杆安全系数，取2～3；Q为锚杆锚固力，t。

2.1.5 锚杆的选取

选用45Mn螺纹钢，其杆体直径为22 mm、屈服载荷为124 kN、破坏载荷为200 kN、锚固力为12.4 t，符合条件。

2.2 锚固剂的选取

采用Z2850型树脂锚固剂，其规格为D28 mm×500 mm，适应钻孔为D32 mm±2 mm，主要技术指标见表1。当顶板较稳定时采用端部锚固，当顶板条件差时采用全长锚固。

表1 树脂药卷主要技术指标

2.3 锚索的选取

根据莒山煤矿的地质条件，采用7股D5 mm的钢绞线锚索，其结构为1×7；直径为15.2 mm；拉断载荷为260 kN；延伸率为3.5%。

2.3.1 锚索长度

X=X1+X2+X3=0.2+2.8+1.5=4.5 m。

式中：X1为锚索外露长度，取0.2 m；X2为潜在不稳定岩层高度，取2.8 m；X3为锚索锚固长度，取1.5 m。

2.3.2 排距的选取

s=3σ/4B2γk=3×260/(4×4.02×12.0×0.5)=2.03 m，取2 m。

式中：k为安全系数，取0.5；B为巷道宽度，4.0 m；γ为煤岩体积力，12.0 kN/m3；σ为每根锚索最低破断载荷，取260 kN。

2.3.3 间距的选取

m=0.85B/n=(0.85×4.0)/2=1.7 m，取1.5 m。

式中：B为巷道宽度，4.0 m；n为排数。轨道巷支护示意见图1。

图1 轨道巷支护示意(mm)

3 胶带巷支护设计

胶带巷断面为矩形，宽为5.0 m，高为3.2 m。支护方式采用锚杆、索、钢带联合支护。确定运输巷顶锚杆长度为2 m，直径为20 mm，帮锚杆长度为1.8 m，直径为18 mm，锚杆锚固力为12.4 t，锚杆间排距为1 m。锚固剂的确定方式同轨道巷。锚索长度取4.5 m，排距、间距分别为1.5 m、1.2 m。胶带巷支护示意见图2。

图2 胶带巷支护示意(mm)

4 结 语

综上所述，我矿轨道巷、胶带巷顶锚杆选用长2.0 m、D20 mm的等强锚杆，帮支护锚杆选用长1.8 m，D18 mm的普通螺纹钢锚杆。锚杆排距为1 m，间距不大于1 m，锚索选用直径为15.2 mm的钢绞线，长度为4.5 m，轨道巷排距为2 m，间距为1.5 m，胶带巷排距为1.5 m，间距为1.2 m。当4-2煤层巷道过上部煤柱区、地质构造带等集中应力区时，掘进层位及其顶底板围岩受集中应力作用可能出现塑性变形或强度变弱等现象，根据现场实际岩性条件及受破坏程度，在采取锚杆、锚索主动支护的同时，还需配合架棚支护提高被动支护强度，以确保巷道顶板支护安全。