賀 亮

（大同煤礦集團永定莊煤業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037024）

1 工程概況

1.1 工作面位置

2141工作面位于21區(qū)下山西翼，工作面切眼西到礦井邊界煤柱，東為21區(qū)下山煤柱，北鄰2121工作面（已采），南鄰2161工作面（未采）。該工作面上巷為沿空掘巷，設計長度1 439 m（平距）；下巷實體煤掘進，設計長度1 537 m（平距）。上巷對應地表標高為+590.1～+614.2 m，井下標高為-39.4～-64.8 m；下巷對應地表標高為+590.1～+606.8 m，井下標高為-68.7～-97.2 m。工作面平均采深684.4 m。2141工作面下巷的斷面形狀為拱形，毛斷面下寬為4 900 mm，高為3 600 mm；凈斷面下寬為4 200 mm，高為3 600 mm。巷道為全煤巷道，沿底板掘進，其中頂煤厚度為19 m左右。巷道平均埋深684.4 m。

1.2 現(xiàn)工作面下巷支護情況分析

2141工作面下巷采用36 kg/m的U型鋼木背板支護，斷面形狀為拱形，毛斷面下寬為5 500 mm，高為3 700 mm；凈斷面下寬為4 900 mm，高為3 700 mm。巷道為全煤巷道，沿底板掘進，其中頂煤厚度為19 m左右。2141工作面下巷的支護有如下特點：

1）煤巷道，頂煤厚度大，煤層具有沖擊傾向性。

2）巷道在實體煤中掘進，但靠近21201工作面還預留一個150 m的工作面（2161工作面）沒有開采，2181工作面已經(jīng)回采完畢，21201工作面正在回采，2141下巷相當于在一個大煤柱中掘進，該煤柱沒有屈服，巷道受高地應力及2101工作面超前支承壓力及2181工作面采空區(qū)側向支承壓力的共同作用，尤其是高位堅硬巖梁的斷裂對2141工作面下巷造成很大影響，使得該巷道圍巖儲存了大量的彈性能。由于本巷道處于高應力區(qū)，所以巷道變形量大且易發(fā)生沖擊，礦壓（兩幫移近和頂板下沉）在巷道掘進時將有明顯的顯現(xiàn)。

巷道破壞嚴重主要是煤層具有沖擊傾向性以及頂板破碎矸石不穩(wěn)造成的。如果不采取適當?shù)闹ёo措施，巷道圍巖的不穩(wěn)定會愈加劇烈，從而加劇了巷道支護的難度，致使巷道失穩(wěn)破壞。只有使頂板破碎矸石固化，使之成為一體，發(fā)揮其支承作用，才能改善這種狀況?；谝陨显?，我們通過基礎數(shù)據(jù)測定、理論計算和現(xiàn)場測試，設計出一套經(jīng)濟、安全、快速并且合理的巷道支護方案，確保某煤礦能夠正常的進行生產(chǎn)[1]。

2 工作面下巷支護方案的設計

2.1 2141工作面下巷支護改進途徑

根據(jù)2141工作面下巷的現(xiàn)場實際條件，對該巷道支護改進設計的新方案采用爆破卸壓、高壓水力壓裂卸壓，增大巷道斷面，減小巷道通風阻力；采用主動支護，提高圍巖自身承載能力。

考慮現(xiàn)場巷道圍巖情況的變化以及機電運輸?shù)确矫娴囊蛩?，斷面的收縮率約按15%計算，巷道圓拱設計為半徑2 000 mm，巷道寬度4 200 mm，巷道高度3 600 mm。

由于2141工作面下巷為全煤巷道，頂煤厚度為1.9 m左右。從井下情況看，該煤層煤質相對較脆，硬度不高，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，煤層具有沖擊傾向性。因此支護對策采用主動支護，采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土聯(lián)合支護，簡稱錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護。在地質條件比較復雜的情況下，采用減小錨桿支護的間、排距，加大錨索的長度等措施處理[2]。

2.2 錨網(wǎng)噴支護參數(shù)的設計

2141工作面下巷布置在實煤體2號煤層中，埋深700 m左右。頂煤厚度約為19 m，煤層傾角20°該煤層煤質相對較脆，硬度不高，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，煤層具有沖擊傾向性。巷道破壞嚴重主要是頂板破碎矸石不穩(wěn)造成的。只有利用錨桿、錨索加固圍巖、懸吊下部松動巖石，錨固在圍巖深部的穩(wěn)定巖層中，使頂板破碎矸石固化，發(fā)揮支撐作用才能減小巷道的破壞、不穩(wěn)定程度。由此巷道采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護。再根據(jù)深井巷道支護原則、原理和方法，巷道斷面形狀選擇為上部呈半圓形，半徑r=2 000 mm，下部呈梯形。最后通過計算來確定錨網(wǎng)噴支護參數(shù)。

2.2.1 錨索的長度

為了保證頂板錨索能錨固到穩(wěn)定的煤層中。通常情況下根據(jù)鉆機的工作能力和巷道圍巖巖石的物理力學性質，小型號錨索長度在5.5～9.5 m之間，再考慮到巷道寬度和張拉長度通常為0.4 m等因素。所以錨索的總長度在5.9～9.9 m之間選擇。一般設計的錨索長度在6～8 m之間滿足要求。所以在這里我們所取錨索的長度確定為7 m[3]。

2.2.2 錨索的支護密度

根據(jù)“承載拱”理論，再參考錨固力和試驗結果，錨索間、排距應滿足下式：

式中：L為錨索長度，m；S為錨索間距，m。所以錨索間距為S≤3.5 m。

根據(jù)沖擊地壓礦井深部巷道不穩(wěn)定條件和長期以來某煤礦巷道支護經(jīng)驗，錨索間距確定為2 200 mm，排距確定為1 400 mm。

2.2.3 錨桿的長度L

錨桿的長度按如下公式計算：

式中：L1為錨桿在圍巖以外所露出的長度，取150 mm；L2為錨桿在圍巖以內(nèi)的有效長度，mm；L3為錨桿錨固段的長度，加長錨固取1 654 mm（使用K2460和Z2460兩個藥卷）。

錨桿有效長度L2不能小于巷道嚴重松動破碎的范圍。根據(jù)以往所支護巷道的破壞情況來看，巷道松動破碎范圍大，取錨桿有效長度L2=600 mm，則錨桿長度：L=L1+L2+L3=150 mm+600 mm+1 654 mm=2 404 mm。

綜合考慮機電運輸、安裝、巷道斷面收縮率和巷道尺寸等多方面的因素，確定錨桿長度為2400mm[4]。

2.2.4 錨桿間排距的確定

要保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，減小巷道的破壞，錨桿必須要有足夠的支護強度。根據(jù)之前大量巷道支護經(jīng)驗，所設計的支護強度q應在0.25～0.4 MPa之間選取。在這里我們確定為q=0.32 MPa。假設錨桿的支護阻力T在150～180 kN之間選取，并且錨桿的間距和排距相等，則0.7～0.8m。

為了加強圍巖的穩(wěn)定性和巷道總體的支護效果，在這里我們?nèi)⌒≈?，確定錨桿的間排距為Sj=Sp=700 mm。

2.2.5 錨桿的類型

根據(jù)礦井的地質條件以及圍巖（煤層）變形特征，在支護設計中，頂板最小支護強度為95 t/m，錨桿系統(tǒng)的最大讓壓距離為30 mm，讓壓點170～200 kN。而且要求錨桿工況點應在彈性范圍內(nèi)[5]。

根據(jù)以上要求，選用高強高預應力讓壓錨桿（如圖1所示），其具體參數(shù)如下：

圖1 高強高預應力讓壓錨桿

桿體直徑d=22 mm，錨桿有效長度L=2 200 mm；

桿體材料為Q500礦用高強螺紋鋼，其屈服荷載大于100 kN，抗壓荷載大于250 kN。

2.2.6 噴射混凝土

噴層厚度t=80 mm，抗壓強度Sc=22.8 MPa，剪切強度 τb=5 MPa。

3 理論驗算錨噴網(wǎng)支護設計參數(shù)的可行性

實測原巖應力P0=30 MPa；視密度為ρ=2 638 kg/m3；彈性模量 E=9.07×103MPa；泊松比 μ=0.25；黏聚力C=1 MPa；內(nèi)摩擦角φ=39°；R0為半圓拱巷道拱半徑，取2 m。

3.1 錐形剪切體參數(shù)的計算

起始破壞角α：

椎形剪切體底寬h：

相鄰錨桿間的半夾角δ：

承載環(huán)厚度W：

承載環(huán)剪切長度S：

剪切滑移線水平軸的平均夾角θ：

在S范圍內(nèi)錨桿根數(shù)n：

式中：e為錨桿間距，取0.7 m。

代入數(shù)據(jù)計算得n=4。

錨桿與破壞面的夾角β：

3.2 圍巖錨固后的凝聚力C1

式中：i為錨桿排距，取0.7 m；τs為錨桿抗拉強度，200 MPa；F為垂直于加載方向試件的斷面積，3.14 cm2。

代入數(shù)據(jù)計算得C1=1.13 MPa。

3.3 錨噴后圍巖塑性區(qū)半徑Rp

式中：Pi為噴層抗力，取0.64 MPa。

代入數(shù)據(jù)計算得Rp=3.3 m。

3.4 錨噴后圍巖松動區(qū)半徑Rb

代入數(shù)據(jù)計算得Rb=2.87 m。

3.5 錨桿間距和錨桿有效長度驗算

錨桿間距

錨桿的有效長度2.2 m＞Rp-R0=3.3-2=1.3 m＞Rb-R0=2.87-2=0.87 m，說明錨桿長度大于松動圈和塑性區(qū)，錨桿的長度能夠滿足巷道支護的需要[6]。

圖2 承壓拱理論計算圖

4 結論

在進行上述理論驗算之后，證明了支護形式的選擇和支護參數(shù)的確定都是可行的。只有把巷道兩幫位移和頂?shù)装逡平靠刂频皆试S的范圍之內(nèi)才能夠滿足礦井的安全生產(chǎn)。為了保證礦井安全、高效、經(jīng)濟的進行生產(chǎn)，就要選擇一種最合理的支護方案，該支護方案的合理與否需要通過進一步通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗來進行驗證。

參考文獻

[1]王猛，柏建彪，王襄禹.深部傾斜煤層沿空掘巷上覆結構穩(wěn)定與控制研究[J].采礦與安全工程學報，2015（3）：372-374.

[2]李學彬，楊仁樹，高延法.楊莊礦軟巖巷道錨桿與鋼管混凝土支架聯(lián)合支護技術研究[J].采礦與安全工程學報，2015（2）：201-204.

[3]王衛(wèi)軍，袁越，余偉健.采動影響下底板暗斜井的破壞機理及其控制[J].煤炭學報，2014（8）：728-731.

[4]王飛，劉洪濤，張勝凱.高應力軟巖巷道可接長錨桿讓壓支護技術[J].巖土工程學報，2014（9）：56-58.

[5]謝生榮，謝國強，何尚森.深部軟巖巷道錨噴注強化承壓拱支護機理及其應用[J].煤炭學報，2014（3）：323-325.

[6]孟慶彬，韓立軍，喬衛(wèi)國.趙樓礦深部軟巖巷道變形破壞機理及控制技術[J].采礦與安全工程學報，2013（2）：193-195.