中兴矿层状顶板拱形巷道支护设计及应用效果浅析

郭 向 前

（汾西矿业集团中兴煤业公司，山西 交城 030500）

1 工程概况

中兴矿目前准备进行三采西翼回风巷的掘进作业，巷道设计为直墙半圆拱形断面，净宽5000mm，直墙高2400mm，净高4200mm，设计长度为1988m，三采西翼回风巷工作面沿2# 煤层底板掘进，2# 是厚2.02m 左右中厚煤层，平均倾角8°，为半煤岩巷道，上覆岩层依次为1.8m 的碳质泥岩、0.5m 的页岩、0.8m 的砂岩、4.5m 的砂质页岩、8m 的砂岩，抗压强度依 次 为 39.2MPa、20.2MPa、27.1MPa、22.2MPa、39.2MPa，其中页岩与泥岩遇水易发生软化。现针对该巷道拱形断面及层状岩层顶板的特点对巷道的支护参数进行理论计算。

2 拱形巷道围岩变形特征的理论分析

2.1 拱形巷道破坏特征

一般巷道开挖后，围岩均会受扰动而进入塑性状态，而中兴矿三采西翼回风巷为拱形巷道并且顶板为遇水易软化的层状岩层，因此如果顶板的支护强度不足时，会发生离层片帮的现象。顶板离层所产生的载荷会经拱弧段传递到两帮的围岩上，从而使巷帮承受压力增大产生变形、甚至片帮。因此在巷道支护参数设计时应保证顶板拱弧段有足够的支护强度。下面分析具有层状岩层顶板的三采西翼回风巷拱形断面中拱肩处的变形特点。

2.2 拱肩变形理论分析[1]

将巷道围岩参数代入式1 可以得到松动范围高度。

式中：H 为巷道围岩松动范围的高度，m；b 为拱形断面的宽度，取5.0m；a 为拱形断面的高度，取4.2m；f 为巷道围岩的坚固性系数，取1.5。经计算得出三采西翼回风巷围岩松动范围的高度为1.38m。

式中：q 为拱顶受覆岩垂直应力的大小，kN/m2；γ为拱顶覆岩容重，取24.0kN/m3，H 为巷围岩松动范围的高度，取1.38m。

进一步由式2 可以计算出巷道拱顶岩层受到覆岩的垂直应力为162.83kN/m2。

根据式3 可以计算出巷道拱顶形成的悬臂岩梁所承受的载荷为467.33kN。

式中：pn为第n 层岩层受上覆n+1 层的压力，kN；ln为第n 层岩层从拱形巷道直墙面至自由端的距离，m；为第 n 层岩层的容重，kN/m3；hn为第 n 层岩层厚度，m。

将式3 的计算结果带入式4，就可以迭代计算出拱顶至起拱线间每一岩层受上覆岩体传递下来的压力，p 顶、pn、pn-1、…p2、p1。

得到起拱线至拱顶各层位岩层所受覆岩压力后，根据岩石的破坏机理[2]，进一步求出各层岩层的折断点坐标xt及产生剪切破坏的位置xc。计算结果见表2。

表2 2# 煤层顶板岩层计算结果

当岩梁的折断点坐标xt＞岩梁产生剪切破坏的距离xc时，岩梁在xt 处发生拉破坏；当岩梁的折断点坐标xt＜岩梁产生剪切破坏的距离xc时，岩梁在xc处发生剪破坏。因此通过表2 发现：理论计算出的顶板覆岩中页岩、砂岩、砂质页岩可能会在拱形巷道的拱肩处发生剪破坏和拉破坏。因此为了避免巷道掘进支护后有拱肩处层状岩层拉破坏和剪破坏现象的发生，需要在设计支护参数时考虑对拱肩处岩层的控制。

3 支护参数的优化设计及应用效果

3.1 三采西翼回风巷合理支护参数的确定[3～4]

考虑到三采西翼回风巷为具有层状岩层顶板的拱形巷道，其顶板岩层物理力学性质软弱，且顶板中碳质泥岩和页岩等遇水后的易产生弱化，因此通过采用高强度的锚杆锚索并保证足够的锚固长度来避免层状岩层破断、离层现象的发生。结合矿方现有材料，设计中的锚杆索分别选用左旋螺纹钢锚杆及钢绞线锚索。

3.1.1 锚杆参数的确定

依据组合拱理论和非弹性区理论进行支护参数优化设计。首先对巷道顶板支护进行分析，根据式5确定顶板塑性区半径后即可得到该巷道的围岩破坏范围。

式中：r 为巷道等效圆半径，取2.5m；P 为累计地应力，取 7.217MPa；C 为岩层内聚力，取 1.8MPa；φ 为岩层内摩擦角，取31°。将上述参数带入式5 得到巷道顶板塑性区半径R0为3.75m。

冒落拱高度b 可由式6 计算得到，从而计算出冒落拱内松动围岩的截面面积，由式7 可得到顶板锚杆承受的冒落拱内松动岩石的重量G1。

式中：K1为动压影响系数，取1.8；γ为冒落拱内各岩层的加权平均容重，取18kN/m3；S 为冒落拱内松动围岩的截面面积，取10.8m2；D 为锚杆排距，取1.0m。经计算顶板冒落拱内锚杆所承受的松动围岩重量 G1为 244.93kN。

三采西翼回风巷顶板左旋螺纹钢锚杆直径22mm，载荷为70kN，则根据244.93/70=3.499 设计该巷道顶板每排4 根锚杆，间距1.2m。

式中：L1为顶板锚杆锚固长度；G1为式7 计算所得松动围岩重量，244.93kN；m 为安全系数，1.5；d 表示安装锚杆的钻孔直径，0.042m；为树脂锚固剂岩与围岩之间形成的抗剪强度，取7×25×106Pa。经计算L1=0.92m，故1.1m 为合理的锚杆锚固长度，由L顶=a2+L1+0.1 确定顶板锚杆长度为2.6m。

三采西翼回风巷巷帮锚杆选用Φ20 的左旋螺纹钢锚杆，由普氏冒落拱理论可得两帮不稳定时的松动范围计算公式如下，其中h 表示巷道宽度。

通过计算得到三采西翼回风巷巷帮不稳定的范围为2.38m，故确定巷帮锚杆长度为2.4m，巷帮锚杆的锚固长度为600mm，间排距1.0×1.0m。

故最终确定三采西翼回风巷顶板每排布置5 根直径22mm 长度2600mm 的左旋螺纹钢锚杆，间距1.2m 排距1m，锚固长度1.1m，每根锚杆使用一卷K2355 和一卷Z2355 型锚固剂；巷帮两侧每排布置5根直径20mm 长度2400mm 的左旋螺纹钢锚杆，间距1m 排距1m，锚固长度600mm，每根巷帮锚杆使用一卷Z2355 型锚固剂。

3.1.2 顶板锚索参数的确定

为了充分控制拱形巷道拱肩处的层状岩层，同时借鉴其他矿井拱形巷道的支护参数设计，设计三采西翼回风巷顶板每排布置3 根Φ21.6 的钢绞线锚索，间距为1200mm。

锚索的排距由冒落拱内各岩层的重量来确定，通过式10 可以得到锚索的排距。

式中：a 为巷道的跨度，取5m；γ 为各岩层的加权平均容重，取18kN/m3；σ 为锚索的极限破断力，取220kN；k 为安全系数，取1.2。经过计算确定锚索的排距为2.0m。

根据式11 可以得到顶板锚索的锚固长度。

式中：K 为安全系数，取1.5；P 为锚索的抗拉强度，取220kN；D 为锚索钻孔直至，取0.032m；为树脂锚固剂岩与围岩粘结力，取1.8×106Pa。经计算La=1.56m，故1.6m 为合理的锚索锚固长度，确定锚索长度7m，使其能够锚固在稳定岩层上。

故最终确定三采西翼回风巷顶板每排布置3 根长度为7m、Φ21.6 的钢绞线锚索，间距为1200mm 排距2000mm，锚固长度1.6m，每根锚索使用一卷K2355 和两卷Z2355 型锚固剂。

综上所设计的三采西翼回风巷具体支护参数如图1 所示。

对三采西翼回风巷的支护参数进行优化设计后，顶 板 锚 索 的 总 承 受 力 F1=np ×1.0=2 ×220 ×1.0=440kN，顶板锚杆的总承受力F2=np×1.6=5×70×1.6=560kN，故顶板总承受力F=F1+F2=1000kN＞314.93kN，故认为设计合理。

3.2 应用效果

三采西翼回风巷在应用优化后的支护参数后，通过在掘进迎头布置巷道内布置测站分析巷道开挖直至稳定期间的围岩变形数据来检验所优化的支护参数的合理性，数据如图1。

图1 优化后具体支护参数示意图

图2 支护优化后掘进巷道围岩变形情况

观察图2 发现：在应用优化后的支护参数后，三采西翼回风巷在掘进初期的两帮移近量为10mm 左右，顶底板移近量为20mm 左右，并且拱肩处没有出现破断垮落现象，在掘进后稳定期巷道的顶底板移近量控制在40mm，两帮移近量控制在20mm，整体围岩变形量小，支护参数设计合理。

4 结 论

中兴煤矿三采西翼回风巷为拱形巷道且顶板为遇水易软化的层状岩层，通过理论分析计算出的巷道拱肩岩层的破坏位置及破坏形式发现当拱肩处的支护强度不足时会发生层状岩层破断垮落的现象，因此针对巷道特点在组合拱理论和非弹性区理论基础上对巷道支护参数进行设计。经过现场应用发现使用优化参数后，掘进初期拱肩没有出现破断垮落现象，并且围岩控制在允许变形范围内，证实该支护参数可以保证三采西翼回风巷的安全掘进。