采空区下大断面运输巷道支护参数优化选择

韩栋栋

（山西忻州神达集团晋保煤业有限公司，山西 保德 036600）

提高巷道稳定性的高效低成本方式之一是锚杆（索）支护。地质构造、锚固剂和岩体黏结性能、锚杆（索）材质、支护参数等因素直接决定了锚固效果，支护设计方案和参数主要以工程经验为主，存在很大的不确定性和盲目性[1]。因此，本文以晋保煤矿采空区下大断面13102 运输顺槽巷道为工程背景，通过分析巷道失稳破坏原因，对大断面巷道的支护参数进一步进行设计优化。

1 工程概况

13102运输巷道位于井田西南部，东部为实体煤，南部为相邻煤矿井田，西部为13101 回风巷，北部为二水平辅运下山，掘进工作面沿13#煤上分层推进。13#煤上分层顶板为砂质泥岩，底板为泥岩、粉砂岩；13102 运输巷道断面为矩形，尺寸为4 m×5.7 m，倾角10°～13°；13#煤上分层距地表的深度为380 m，巷道上方53.8 m存在8#煤采空区；巷道沿13#煤上分层煤层掘进，总工程量1 476 m。巷道顶底板参数见表1。

表1 巷道顶底板物理力学参数

由于13102 运输顺槽巷道上覆采空区，使巷道整体受力不均，在两帮处受不均布载荷产生的弯扭破坏，较上覆无采空区巷道两帮更易发生变形破坏；13102 运输巷道属于大断面巷道（5 700 mm×4 000 mm），顶板下部受弯矩产生的拉应力作用（巷道宽度越大产生的拉应力越大），且巷道宽度较大，更易发生变形破坏；因此，需通过计算优化锚索网支护参数，以提升巷道稳定性。

2 支护分析

当开掘巷道后，顶板呈现固支梁的力学结构[2]。经过一段时间，梁向下弯曲，巷道形成拱状结构，巷道两帮将承受弯扭共同作用，向内弯曲[2]。因此，在掘进巷道过程中，选择恰当的支护类型是十分重要的。

图1 巷道受力变形

目前巷道的支护方式主要有锚杆支护、锚索支护等。

锚杆支护，锚杆通过将破碎围岩悬吊于上部稳定岩层中以此来提高围岩整体的抵抗破坏的能力[3]；锚索支护，将岩层受到破坏产生变形碎裂的部分吊挂在巷道顶部，以免顶部继续发生不可逆变形破坏；锚网索协同支护，一边通过锚杆深入围岩来提高顶部岩层抵抗破坏的能力，一边通过锚索悬吊破碎岩块抑制顶部破坏，同时防止顶部继续破坏[4]。

锚网索协同支护可有效提升巷道稳定性。在锚杆、锚索协同支护条件下，优化选择锚杆和锚索支护参数非常重要。

3 支护参数优化

3.1 巷道围岩破坏范围

（1）巷道帮部破坏深度C，由式（1）确定：

式中：Kc为运输巷道的应力集中系数（巷道受周边挤压发生应力集中），1.8；γ为巷道顶板岩土层的平均容重，23 kN/m3；H为运输巷道距地表的深度，380 m；B为采动对巷道稳定性的影响系数，1.6；fy为巷道煤帮普氏系数，2；h为巷道的高度，4 m；φ为巷道围岩内摩擦角，24°； 代入计算得出巷道两帮破坏深度为0.67 m。

（2）顶板围岩破坏范围b，由式（2）得出：

式中：a为巷道中心到巷道壁的距离，2.85 m；α为煤层的倾角，12°；fm为顶板巷道上部直接顶的普氏系数，3； 代入计算得出巷道直接顶的破坏深度为1.147 m。

从安全方面考虑，给围岩破坏深度乘安全系数（取1.1），顶板破坏深度为1.261 m，两帮破坏深度为0.737 m。

3.2 锚杆参数

（1）锚杆直径

顶部锚杆直径选择20 mm，帮部锚杆直径选择18 mm。

（2）锚固力

顶锚杆锚固力计算:

式中：N为顶部锚杆锚固力，kN；Q为顶部锚杆设计锚固力，kN；d为锚杆直径，mm；σs为螺纹钢杆体的抗拉屈服极限，345 MPa；代入计算确定直径为18 mm锚杆锚固力为79 kN，直径为20 mm锚杆锚固力为97.5 kN。

（3）锚杆长度

锚杆的主要作用是将巷道破碎的岩体与完整岩体锚固为一个整体，提升围岩自身的抵抗破坏的能力，锚杆长度计算：

式中：L1为锚杆外露长度，0.15 m；L2为锚杆有效长度（顶部锚杆取1.261 m，帮部锚杆取0.737 m）；L3为锚固长度，m。

锚固长度应同时满足式（6）、（7）：

式中：k为安全系数，1.1；d为锚杆直径，mm；D为钻孔直径，26 mm；fst为螺纹钢杆体的极限抗拉强度，510 MPa；fcr为锚固剂与围岩的黏结强度，3 MPa；fcs为锚固剂与金属杆黏结强度，5 MPa；代入计算可得顶部锚固段长度应大于0.719 m，帮部锚固段长度应大于0.582 m。

计算可得顶部锚杆长度应大于0.15+1.261+0.719=2.13 m； 帮部锚杆长度应大于0.15+0.737+0.582=1.469 m。顶部锚杆与帮部锚杆可选择相同长度，所以锚杆长度取2.2 m。

（4）锚杆间排距

综合考虑锚杆抗拉与抗剪强度，锚杆间距计算：

式中：K为富余系数，1.5；q1为所支护顶部岩层的均布载荷，MPa。

所支护顶部岩层的均布载荷可由式（9）得出：

代入计算得所支护岩层的均布载荷为50.6 MPa；代入数据计算得锚杆抗拉所需间距应小于1.01 m。取锚杆间排距为0.9 m×0.9 m。

3.3 锚索参数

（1）锚索长度

式中：La为锚固段长度，m；Lb为支护岩层的层厚，3.75 m；Lc为锚索外漏及托盘长度，0.25 m；锚固长度可由式（11）得出：

式中：d1为锚索直径，17.8 mm；fa为锚索抗拉强度，1 860 MPa；fc为锚索与锚固剂粘合强度，3 MPa；计算得锚索的锚固长度应大于2.83 m。

代入计算得锚索长度应大于6.83 m； 所以选定锚索长度为7 m。

（2）锚索间排距

锚索排距根据锚固失效时锚索所承担的岩层重量确定：

式中：Rt为锚索的极限破断力，380 kN；代入计算得锚索间排距应小于2.1 m，确定锚索间排距为2.0 m×1.8 m。

13102工作面运输顺槽支护参数设计见图2。

图2 巷道支护参数

4 支护效果

根据支护参数优化设计对巷道进行加固支护后，对巷道顶部及两帮进行实时监测，得出巷道顶板下沉值、两帮移进量见图3。

图3 巷道围岩变形

13102工作面运输巷因受上覆采空区影响，两帮变形最大。根据支护参数优化设计对巷道进行加固支护后，顶板下沉量的最大值是85 mm，两帮变形量的最大值是93 mm。顶板的下沉值与两帮的移进量控制在合理、安全的范围内，证明了支护参数的合理性与支护效果的有效性。

5 结语

1）通过分析可知，13102 运输巷为大断面巷道，且受到上覆采空区作用易发生顶板弯曲下沉与两帮内凸现象，更易发生冒顶与片帮等不良现象，为保证巷道安全掘进，需要对巷道支护参数进行优化。

2）由13102 工作面运输巷工程应用后现场实测可知，巷道顶板下沉值与两帮变形值控制在合理、安全的范围内，说明本支护方案能确保掘进的安全，可为类似地质情况与工程情况的巷道支护方案的选择提供参考。