11上401 工作面巷道支护方案设计与应用

闫 东

（山西煤炭运销集团泰山隆安煤业有限公司，山西 忻州 034000）

井工煤矿开采过程中，科学合理的支护设计不仅能够有效保证巷道支护质量，降低顶板事故发生概率，而且能够提高巷道掘进效率，节约巷道支护成本，减轻工人劳动强度，提高工效[1-2]。目前，锚杆（索）支护已成为我国煤矿井下巷道支护选取的主要支护方式[3]。本文以隆安煤矿为例，结合井下巷道围岩性质、地质构造、巷道几何形状与尺寸等现场实际条件，经过理论计算分析，对11上401 进风顺槽巷道支护方式及支护参数进行了设计。通过现场应用结果表明，巷道支护效果较好。

1 工程概况

11上401 工作面位于四采区，为11#煤层上分层四采区首采工作面，布置有进风巷、回风巷、开切眼三条巷道。工作面煤层倾角平均4°，煤层厚度为1.38～1.92 m，平均1.6 m。工作面进风顺槽掘进断面宽5.0 m，高2.7 m，掘进断面积13.5 m2，顺槽长度1 323.13 m。

11#煤顶板主要为泥岩、砂质泥岩，裂隙较发育，随采易垮落，顶底板岩性如图1 所示。11#煤采掘过程中若遇断层构造，伴生裂隙发育，导致顶板破碎，顶板管理困难。

图1 11#煤层煤岩层综合柱状图

2 巷道支护设计

2.1 巷道围岩性质分析

巷道围岩的稳定性可以分为5 个类别，分别是非常稳定、稳定、中等稳定、不稳定和极不稳定[4-5]。根据顶板围岩结构观察结果，结合工作地质条件等情况，将11上401 工作面进风顺槽围岩稳定性划分为II 级，为稳定围岩。按照煤巷锚杆支护技术规范要求，巷道顶板岩层较为破碎时，巷道支护方式采用锚杆+钢筋网；若巷道顶板岩层较为完整，巷道支护采用锚杆+钢筋梁的支护方式，或采用桁架支护。锚杆选用直径为18～20 mm、长度为1.8～2.0 m的锚杆，间排距0.8～1.0 m，设计锚固力64～80 kN。

2.2 巷道支护设计

根据上述分析结果，采用工程类比和理论计算方法对这些参数进行初步确定。

2.2.1 巷道锚固参数设计

锚杆锚固方式可以分为全长锚固、加长锚固和端头锚固三种方式。根据矿井的巷道围岩性质及现场施工条件，进风顺槽锚固方式采用加长锚固方式。巷道顶部采用直径为Ф20 mm 的高强度左旋无纵筋锚杆，其破断载荷为180 kN。顶锚杆锚固长度按照公式（1）计算：

式中：P0为设计锚固力，取锚杆破断载荷180 kN；R为锚杆孔半径，取值14 mm；C0为树脂药卷粘结强度，按松软破碎岩体考虑，取1.35 MPa。

所需药卷长度按照公式（2）进行计算：

式中：R锚为锚杆杆体半径，取10 mm；R药为树脂药卷半径，取11.5 mm。

根据以上计算结果，巷道顶部锚杆选取的树脂药卷型号为CK2360 和K2360，每种型号药卷各一支。则单孔实际锚固长度可以利用公式（3）进行计算，具体计算如下：

2.2.2 顶板锚杆间、排距设计

11上401 工作面进风顺槽掘进断面净宽5 m，净高2.7 m，破顶沿11#煤层底板布置。根据矿井巷道围岩地质资料，巷道顶板岩层容重取24 kN/m3，巷道顶板岩层普氏硬度系数取12，煤岩层内摩擦角取35°。巷道顶板围岩支护载荷集度按照公式（5）计算如下：

式中：∑h为顶板岩体中软弱岩层厚度，取6.0 m；b′为巷道等效跨度，m，按照公式（6）计算；f为顶板普氏系数，取12；γ为顶板平均容重，取24 kg/m3；h0为巷道高度，取2.7 m；k为系数，取1。

巷道等效跨度b'计算公式如下：

式中：K为安全系数，取1.2；K'为变形载荷系数，取1.1。顶板锚杆布置间、排距设计按照公式（8）计算：

因11上401 工作面受单斜构造、滑动构造、围岩裂隙等地质构造情况及巷道埋深等因素影响，根据井下巷道设计的断面参数，取巷道顶部锚杆布置间距为1100 mm，排距布置为1000 mm，每排布置5 根锚杆，靠近两帮的锚杆距离巷帮300 mm，与铅垂线呈20°向巷帮倾斜，其余锚杆垂直顶板布置。

2.2.3 帮部锚杆间、排距设计

两帮煤体普氏系数取2.5，两帮所需要的锚固强度按照公式（9）计算如下：

式中：q为锚杆对围岩表面的平均作用力，取值按照公式（10）计算，取288.9 kN；φ为内摩擦角，取30°。

锚杆对围岩表面的平均作用力q计算公式如下：

式中：b为巷道高度，取5 m；l3为巷道两帮可承载锚固体厚度，计算公式如（11），取1 m。

锚杆布置密度计算公式按照公式（12）计算如下：

式中：P0为帮部锚杆锚固力，取100 kN。

则巷道帮部锚杆布置设计间距和排距计算如下：

根据巷道断面参数，取帮部锚杆布置的间、排距均为1000 mm，每排设计布置2 根锚杆，巷道上帮的锚杆布置距离巷道顶板500 mm。帮部锚杆采用Ф20 mm 左旋螺纹钢锚杆，顶板和帮锚杆长度不变，仍采用现有锚杆长度，顶锚杆2200 mm，帮锚杆1800 mm。

2.2.4 锚索参数设计

选用的锚索直径为Φ17.8 mm，为7 芯钢绞线锚索，其破断载荷为360 kN。锚索锚固段的岩层为稳定性岩层。计算锚索锚固长度公式如下：

式中：P0为设计锚固力，取360 kN；C0为树脂药卷粘结强度，按稳定性岩层考虑，取值为

2.5 MPa。

药卷所需的长度按照公式（15）计算如下：

锚索排距为2000 mm，每排2 根，间距为1800 mm，全部垂直顶板布置。

2.2.5 支护方案

根据上述计算，11上401 工作面进风顺槽支护方案为：锚杆+锚索+钢筋焊结网。锚杆设计布置方式为：巷道顶部锚杆长2200 mm，锚杆排距为1000 mm，间距为1100 mm，每排5 根锚杆，靠近两帮的锚杆与巷道帮部的距离为300 mm，且向两帮倾斜约20°；巷帮锚杆设计长度为1800 mm，锚杆间、排距均为1000 mm，每排设计布置2 根锚杆，巷道上帮锚杆距离巷道顶部500 mm，垂直帮部布置；锚索支护设计布置方式为：间距1800 mm，排距2000 mm，每排2 根，距巷帮1600 mm，垂直顶板布置。巷道锚网索支护示意图如图2。

图2 进风顺槽巷道支护示意图

3 应用效果

为保证巷道支护质量与安全，了解巷道支护设计是否合理、支护效果是否满足设计要求，为今后的巷道支护设计提供参考依据，在11上401 工作面进风顺槽每间隔50 m 布置一个测点，采用“十字”观测法对进风顺槽巷道围岩变化情况进行定期观测，通过近60 d 的现场观测，并将观测的数据进行记录分析，绘制出如图3 所示的巷道围岩变形曲线图。

图3 11上401 工作面进风顺槽巷道围岩变形曲线图

根据采集的数据分析可知，巷道顶底板变形量在巷道掘进施工完成20 d 内产生的变化较大，围岩变形量较大，其中巷道两帮移近量在40 mm 左右，顶底板移近量在80 mm 左右，20 d 以后，巷道围岩变形量不再变化，基本处于稳定状态，证明采用锚网索支护方式能够有效控制巷道围岩变形，确保了支护安全。

4 结论

结合隆安煤矿11上401 工作面进风顺槽围岩结构特征及工作面地质条件，对进风顺槽围岩进行了分类，根据煤巷锚杆支护技术规范要求，提出了巷道采用锚杆+锚索+钢筋焊结网的支护方式。工作面掘进过程中采用该种支护方式后，通过对巷道围岩变形情况进行定期观测，该支护方式在掘进施工完成后20 d 内巷道围岩变形量较大，其中巷道两帮移近量在40 mm 左右，顶底板移近量在80 mm 左右，20 d 以后巷道围岩基本处于稳定状态，证明该支护方式能够有效控制巷道围岩变形，达到了设计要求。