长平公司Ⅲ5308巷道支护参数优化设计研究

张菁珏，张 玮

（晋能控股煤业集团长平公司，山西 晋城 048006）

引言

近些年，随着大型化设备被众多煤矿使用，煤矿生产效率也得到了大幅提高，但是随之也出现了巷道断面面积也在日益扩大，因此大断面巷道应运而生[1]。在煤矿巷道工作面的生产中，为例实现降低巷道支护成本、确保巷道支护强度，安全生产，从而达到快速掘进的目的；研究人员提出，煤矿巷道支护的基本目的是在各类岩体中形成长期稳定的地下结构[2]。大多数煤矿巷道[3-8]在深入掘进的过程中，技术人员发现工作面所处的应力环境和围岩条件更为复杂，因此煤巷的支护问题越来越突出。

长平公司Ⅲ5308双巷掘进工作面，东西南北各部均为村庄，地面标高为+1 040~+1 195 m之间，巷道标高为+412~+483 m，盖山厚度为+580~+744 m，在巷道的掘进区域中，目前勘测无水体和建构筑物，对本巷道掘进无影响。

1 工程地质条件概况

Ⅲ5308巷布置在3号煤层中，沿煤层顶板掘进。北部为4326工作面（正在布置），东部为4322综采工作面（正在回采），西部为Ⅲ5309综采工作面（尚未布置），南部为五盘区大巷（正在掘进）。下部为Ⅲ5308底抽1巷（已掘），该巷与3号煤层间距为10-11m，对本巷道在掘进期间起掩护作用，其他相邻巷道对本巷道掘进期间无影响。Ⅲ5308巷双巷整体上山掘进，掘进坡度平均为3°。根据三维地震资料分析，53081巷、53082巷可能受SF331、SF330正断层，SX6、SX7、SX8陷落柱影响，正制定专项过构造措施。

Ⅲ53081巷巷道设计长度为1404.960 m；Ⅲ53082巷道设计长度为1834.825 m；通风联络横川、皮带检修横川均垂直Ⅲ53081巷和53082巷，设计长度为60.000 m，13号横川与12号横川间距为100.000 m，13号横川与皮带检修横川间距为314.400 m，其余相邻横川间距为80.000 m。

经勘测得到煤层最小厚度5.32 m，最大厚度6.04 m，平均厚度5.92 m；普氏硬度为2.7~3.2；煤层倾角最大倾角为7°，最小倾角为1°，平均倾角为3°；煤层为黑色块状及条带状结构，主要以亮煤为主，暗煤次之，其中含镜煤，金属光泽，光亮型煤，煤种为无烟煤。Ⅲ5308巷工作面布置如图1所示，巷道设计断面1-1和2-2特征参数如下页表1所示，煤层顶底板特征见下页表2。

表1 巷道1-1、2-2断面技术特征表

表2 巷道工作面顶底板特征表

图1 Ⅲ5308巷工作面布置

2 巷道支护设计原理

考虑到掘进过程中设备尺寸，通风要求和巷道围岩变形预留量以及巷道的用途，巷道掘进期间设计断面尺寸为：矩形断面，掘进宽度5.8m，高度4.3 m，掘进断面积为24.94 m2。巷道沿3号煤层顶板掘进。

根据工程实际需要，技术人员利用工程类比法及现场经验，故选择锚杆支护系统支护顶板，根据巷道支护设计原理和支护理念，Ⅲ5308巷道锚杆支护设计采用自然平衡拱原理[7]作为数学模型；结合巷道在初期开拓时，勘探的煤层和围岩层间的力学性质来确定巷道支护的锚杆参数。根据自然平衡拱理论，煤矿巷道开掘后，收到重力作用，煤层中围岩层与层间的相互支撑受力关系被破坏，因此巷道围岩就向自由空间移动后从而形成自然平衡拱，以此来维持巷道采掘过程中的稳定性，如图2所示。

图2 普氏围岩理论力学模型

研究人员在进一步的研究中，在应用自然平衡拱理论的基础上，作了如下两点的假设：

1）围岩体受到节理的切割，在开挖后形成松散状岩体，但仍具有粘结力；

2）硐室在开挖后，硐顶岩体将形成自然平衡拱。在其侧壁处，沿角度为45°-φ/2的方向形成左右两个滑动面，其计算模型如图2所示。因此硐顶的围岩压力仅包含拱内的岩体自重。

3 巷道Ⅲ5308支护参数设计及校核

锚杆的长度为锚杆的外露长度l1，锚杆有效长度l2，锚杆深入老顶长度l3三者之和：

式中：l1取0.1m；l2可由普氏理论和自然平衡拱理论计算；l3根据经验公式取值0.3~0.4 m。因此，由式（1）计算可得顶板锚杆长度取值应不小于2.284 m，考虑到巷道的支护安全性，借鉴支护经验合理取值为2.4 m。

在两个假设条件下，可以由图2分析计算出煤帮破坏深度C：

式中：巷道高度h取4.2 m；近似摩擦角φ根据式φ=tan-1f计算，其中煤的普氏硬度系数f的取值0.9。由式（2）计算得煤帮破碎深度C=1.915 m。

由普氏理论和自然平衡拱理论可以将自然平衡拱高度b表示为：

式中：巷道宽度a值为5m；顶板岩体的普氏硬度系数f0为4。因此根据式（3）计算得到自然平衡拱的高度b=1.57 m。

下面根据锚固力与锚杆承载力等强的原则，查阅《采矿工程设计手册》等相关技术资料得到锚杆直径计算公式为：

式中：d为锚杆直径，m；Q为锚杆锚固力，根据经验取190 kN；σt为锚杆抗拉强度，根据经验采用螺纹钢锚杆，取670 MPa。因此根据式（4）计算可得d=0.019 m，即锚杆直径取值应不小于19 mm，故Ⅲ5308巷工作面顶锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢筋，型号为MSGLW-500/22×2 400，可以满足工作面的支护要求。

锚索设计长度L为锚索深入到较稳定岩层的锚固长度La、自然平衡拱的高度Lb、托盘及锚具的厚度Lc及外露升拉长度Ld的总和，即：

式中：Lb=2.31 m；Lc=0.1 m；Ld=0.2 m；La由式（6）计算得到。

式中：K为安全系数，查阅《采矿工程设计手册》取值为2；d1为锚索直径，取21.8 mm；fa为锚索抗拉强度，取1 720 N/mm2；fc为锚索与锚固剂的黏结强度，其值可查阅《采矿工程设计手册》取10 N/mm2，因此由式（5）、式（6）计算得到锚索长度应不小于4.485 m，根据安全设计经验，应用中需适当加长Ⅲ5308巷锚索长度。

顶板悬顶面积计算公式为：

式中：A为悬顶面积，γ为被悬吊岩石容重，取30 kN/m3；L2为冒落拱高度，取1.57 m。

故锚杆间排距可由以下公式计算得到：

故由式（7）、式（8）得，锚杆间距不应大于1.26 m，锚杆排距不应大于1.26 m。通过以上计算推出：Ⅲ5308巷工作面选择的断面满足巷道支护设计要求。根据计算结果并结合经验获得了Ⅲ5308巷的有效支护方式。

3.1 支护方式

巷道采用高强度锚杆+锚索+金属网+W钢护板护顶、护帮进行支护。

3.2 支护材料

锚杆规格：型号MSGLW-500/22×2400，延伸率≥18%，杆体为直径Φ22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，500号钢材，长度2.4 m。

锚杆托盘规格：型号150×150×10 mm，高强度拱形托板，力学性能与杆体一致，配合高强度托盘调心球垫和减磨垫圈、强力锚杆螺母M24。

W型钢护板：型号W280×400/4，长度400 mm，宽度280 mm，厚度4 mm，四边压棱。

顶锚索规格：型号SKP22-1/1720×7 300，低松弛预应力钢绞线1×19股，直径Φ22 mm，长度7.3 m，尾部采用配套的高强度锁具。

帮锚索规格：型号SKP22-1/1720×5 300，延伸率≥7%，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，直径Φ22 mm，长度5.3 m，尾部采用高强度锁具。

锚索托盘规格：型号300×300×16 mm，高强度拱形可调心蝶形大托板。

Ⅲ5308巷顶网规格：型号JW10/35×35-1.2，采用10号铁丝编织的金属经纬网护顶，网格为35×35 mm。

3.3 支护参数

顶板支护采用高强度锚杆+锚索+金属网+W型钢护板混合支护。锚杆布置参数为：每排6根，锚杆排距为1 000 mm，间距为1 050 mm，两端锚杆距巷帮275 mm。锚杆角度参数为：垂直巷道顶板，靠近两帮的两根顶锚杆可以分别向外倾斜10°。锚固方式采用树脂加长锚固，采用两支锚固剂，先放一支MSK2335型锚固剂、再放一支MSZ2360型锚固剂，钻孔直径30 mm，孔深为2290-2310 mm之间，锚固长度1 208 mm。锚杆设计预紧力矩为400 N·m，锚固力为190 kN。锚索布置为：锚索为“3-3”布置，锚索排距1000 mm，锚索间距为2 000 mm，距巷帮为900 mm，锚索均垂直顶板施工；利用8号（10号）铁丝缠绕锁具下部的锚索不少于3圈，且两端与顶网连接起防坠作用。锚固方式采用树脂加长锚固，采用三支树脂锚固剂，先放一支MSK2335型锚固剂，再放两支MSZ2360型锚固剂，钻孔直径30 mm，孔深为6 950-7 050 mm之间，锚固长度为1971mm。锚索设计预紧力为350 kN。滞后抽查时（即预紧力损失后）预紧力不小于300 kN。

因此根据设计参数，Ⅲ5308巷道顶煤工作面两巷及端头支护示意图，如图3所示。

图3 Ⅲ5308巷道顶煤两巷及端头支护示意图

4 结论

长平公司Ⅲ5308双巷工作面均布置在3#煤层中，沿煤层顶板掘进，整体上山掘进，煤层平均地层倾角为3°，顶板和底板均含有砂质泥岩且煤层中有一层厚度为0.35 m夹矸，夹矸为泥岩使得煤层结构复杂，但是煤层最小厚度5.32 m，最大厚度6.04 m，平均厚度5.92 m，厚度变化较小，为较为稳定煤层。本文根据普氏理论和自然平衡拱理论，结合煤层低质情况，对支护参数设计进行校核计算，得到了巷道的有效支护方式和具体支护参数，绘制了工作面两巷及端头支护示意图，从而指导工作面的支护作业。校核结果表明，巷道顶锚杆、巷帮锚等支护参数满足工作面生产需求，为巷道工作面掘进提供了可靠性和良好的应用效果。