胶带巷延伸掘进支护方案应用研究

昝文东

(山西汾西宜兴煤业有限责任公司,山西 孝义 032303)

1 工程概况

宜兴煤业主采2号煤层，煤层平均厚度为1.74 m，煤层属于近水平煤层，煤层埋深200 m左右，煤层直接顶、基本顶岩性分别为泥岩、粉砂岩，厚度分别为1.05 m和1.75 m，直接底为4.55 m的细粒砂岩。煤层特征情况如表1所示。

表1 煤层特征情况

一采工作面地面西部为原孟南庄煤矿工业广场，西南部为孟南庄村，东部为庞庄村。一采工作面需要沿原一采区回风巷向南延伸，西部为孟南庄小窑破坏区，东部为一采胶带巷，北为1205工作面采空区。

延伸一采胶带巷的水文地质情况如下：本次所掘巷道煤层为二叠系2号下煤层，上距山西组K8砂岩裂隙含水层35 m左右，为巷道掘进的直接充水水源，2号下煤层顶板岩性主要为泥岩、砂质泥岩、砂岩等，属中等坚硬岩石。一采胶带巷掘进区域为实体煤，既无本矿采空区，也无小窑破坏区，采空区积水不影响巷道正常掘进。

一采胶带巷的延伸主要用于东部工作面回采时的回风。一采胶带巷延伸开口以坐标(X：4 094 732.584；Y：19 558 830.735)180°方位按8°上山开口施工，预计施工85.4 m后见2号下煤层，届时沿2号下煤顶板掘进106.5 m，(施工过程中若提前遇见2号下煤层，且煤层倾角小于9°时则按2号下煤层顶板施工)，巷道共计施工191.9 m到位。巷道终点坐标为X：4 094 924.484；Y：19 558 830.735。

2 一采胶带延伸巷锚杆索支护计算

2.1 锚杆支护计算

锚杆直径的计算主要依据以下公式，其中计算方式主要与锚杆抗拉强度和锚固力有关[1-2]：

式中：d为锚杆的直径，mm；F为锚杆在围岩深部的锚固力，顶锚杆为190 kN，帮锚杆为150 kN；t为锚杆的抗拉强度，取670 N/mm2。

首先，计算顶板锚杆，由上式可以得到：

其次计算帮锚杆同样可以得到D=16.9 mm。

结合现场施工情况及预留安全范围等因素，一采胶带延伸巷道顶板的锚杆直径被确定为22 mm，帮部的锚杆直径被确定为20 mm。

同时结合此矿初步设计的支护策略，并且通过钻孔窥视粗略测了围岩破坏范围，结果表明围岩的破坏范围在0.5～1.3 m内，依据围岩的破坏范围和主动支护需要锚固在稳定岩层，顶板和帮部锚杆的长度分别被确定为2.4 m和2.2 m。

结合此矿其他巷道的支护方案，从单位面积支护强度和支护密度来看，顶板锚杆的间距被确定为0.92 m，帮部锚杆的间距被确定0.8 m，顶板锚杆和帮部锚杆的排距均被确定为1 m。

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2.2 锚索支护验算

锚索的设计长度与巷道顶板岩体性质及巷道断面规格等有关。可以通过下面公式确定锚索长度：

La=La1+La2+La3

式中：La为锚索长度，m；La1为锚索端部漏出长度，取0.3 m；La2为锚索的实际有效长度，取2.7 m；La3为锚索在深部岩体的锚固长度，取2.4 m。

一般支护理论认为锚索支护不仅要锚固在稳定岩层中，而且要考虑稳定坚硬岩层厚度和巷道高度的关系，当坚硬岩层厚度大于3倍巷道高度时，锚索长度的确定视坚硬岩层的位置确定[3-4]，锚索在深部岩体的锚固长度被确定是2.4 m，锚索的有效长度用以下公式表示：

式中：hi为煤层顶板至稳定岩层的每层厚度，m；i为煤层顶板至稳定岩层层数。

基于锚索需要锚固在深部坚硬稳定的岩层中，结合一采胶带巷顶板岩性情况，煤层顶板到深部稳定岩层的厚度约2.7 m，所以La2取2.7 m。代入数据可得：

La=La1+La2+La3=0.3+2.7+2.4=5.4 m

因此综合考虑锚索长度被确定为5.5 m。锚索布置间排距结合巷道服务年限和以前巷道布置方案分别取1.2 m和2 m。

3 一采胶带延伸巷联合支护形式及参数

一采胶带延伸巷道整体采取锚杆、钢筋网、锚索、钢带和喷浆联合支护如下：

1) 锚杆、锚索支护：顶板采用型号为D22-M24-2 400的高强度螺纹钢锚杆，配用150 mm×150 mm×10 mm的可调心拱型高强度托盘(配有调心球垫和塑料减摩垫片)，锚杆配套1支MSK2355药卷和1支MSZ2355药卷(快速药卷在上部，中速药卷在下部)，顶板锚杆间排距为920 mm×1 000 mm。

2) 巷道两帮采用D20—M22-2 200的高强度螺纹钢锚杆，配用150 mm×150 mm×10 mm的可调心拱型高强度托盘(配有调心球垫和塑料减摩垫片)，每根锚杆配套使用2支MSZ2355锚固剂。锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。帮部锚杆布置距顶0.2 m，距底0.3 m。每排施工8根帮锚杆。

3) 顶板锚索采用D21.8 mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为5 500 mm；加配300 mm×300 mm×14 mm的拱形高强度锚索托盘进行支护。顶板锚索“三·三型”布置，均每隔2 m布置1排，每排3根，即沿巷中及左右1.2 m各布置1根。每根锚索配套1支MSK2355的药卷和2支MSZ2355的药卷(快速药卷在上部，中速药卷在下部)。

4) 巷道两帮锚索采用D17.8 mm×3 500 mm的钢绞线，加配200 mm×200 mm×10 mm的平钢托盘进行支护。帮部锚索每排布置2根，左右帮各1根，即第一排锚索布置距顶0.6 m，第二排锚索布置距顶1.5 m，锚索布置在两排钢带中部，以此交叉施工；每根锚索配套2支MSZ2355的药卷。

5) 巷道全断面采用钢筋网片，钢筋网采用D6 mm盘条加工而成，规格为2 000 mm×1 000 mm。网眼规格为150 mm×150 mm，铺网时要求联接好，网与网用16号双股铅丝扭接紧固不少于3圈，联网距不大于200 mm，网片对接。

6) 顶板支护配用D14 mm，L=4 800 mm的圆钢钢带，帮部支护采用长度D14 mm，L=1 800 mm和D14 mm，L=1 000 mm的圆钢钢带搭接一个眼使用。

7) 喷射混凝土强度为C20，喷射厚度为100 mm。

具体支护方案如图1所示。

4 一采胶带延伸巷围岩变形监测

在一采胶带巷掘进过程中，在掘进工作面后0.4 m处布置监测断面，在巷道顶板和两帮布置监测点对围岩变形量进行监测，监测数据如图2所示。

图2 巷道围岩变形量监测数据

可以看出，随着巷道的掘进，监测断面处的围岩变形量整体趋势为先增加后不变。变化过程可以分为3个阶段，第一个阶段是变形速率急剧增加阶段，顶板最大变形速率可以达到3.8 mm/d，两帮变形速率最大2.5 mm/d；第二个阶段是变形速率缓慢增加阶段，顶板和两帮的变形速率减小，基本都是0.8 mm/d左右；第三个阶段是稳定阶段，距开挖面50 m左右时，巷道围岩变形速率基本为0，巷道达到稳定状态。

5 结 语

1) 经支护验算顶锚杆直径22 mm，帮锚杆直径20 mm，顶锚杆长度L=2.4 m，帮部锚杆长度L=2.2 m；顶锚杆间距0.92 m，帮锚杆间距0.8 m，顶、帮锚杆排距均为1 m；锚索长度5.5 m；锚索布置间排距分别取1.2 m和2 m。

2) 通过现场巷道围岩变形监测可以得到一采区胶带延伸巷能满足现场安全生产要求。