43311 巷道支护设计应用研究及校核

张 玮

（晋城无烟煤矿业集团有限公司长平煤矿，山西 晋城 048006）

近年来，随着矿井采掘深度和范围的增加，巷道在掘进过程中面临着许多问题[1-3]，例如围岩破碎、支护困难等，使得掘进工作面的支护劳动强度高，作业中存在安全隐患[4]，威胁到生产人员的安全，影响生产进度及效率[5-8]。

长平公司43311 巷掘进工作面北部以及东南部均为村庄，南部为工业广场区域，地面标高在+943～ +1017 m 之间，巷道标高为+489～ +509 m 之间，盖山厚度约为454～528 m。

1 掘进工作面技术特征

43311 掘进工作面布置在3#煤层中，沿3#煤层顶板掘进。其周边环境复杂，北部为四盘区北翼胶轮车二巷，东部为运煤联络巷（已掘），西部为43311 综采工作面（正在布置），南部为工业广场保护煤柱。43311 巷道设计长度为628.77 m，巷道开口位置在四盘区北翼胶轮车二巷与43311 巷出煤横川交叉点位置处。43311 巷巷道整体中间高两端低，巷道沿煤层倾向布置，掘进坡度为1°～7°，巷道相对高差为12 m，掘进中局部顶板节劈理发育，煤体疏松破碎。43311 巷掘进至156 m 左右，可能揭露DX216 陷落柱，该陷落柱长轴约84 m，在巷道内影响长度约20 m。

前期勘探探明煤层总厚度为5.73 m，煤质以亮煤为主，呈黑色，块状及条带状结构，暗煤次之，其中含镜煤，金属光泽，光亮型煤，其断口呈参差状，结构简单，夹矸为泥岩。巷道43311 设计断面特征参数见表1。

表1 设计断面技术特征表

巷道顶底板特征见表2。

表2 煤层顶底板岩层特征

2 支护方案

针对围岩破碎、支护困难等问题，43311 巷道的支护方式采用高强度锚杆、锚索、菱形网、W 钢护板、钢筋托梁等联合支护。

顶板和巷帮均采用杆体直径Φ22 mm×2400 mm 的左旋无纵筋螺纹钢，500 号钢材，杆尾螺纹为M24 的锚杆。锚杆的延伸率≥18%，锚固方式采用树脂加长锚固，即采用两支锚固剂，先放一支MSK2335 型锚固剂，再放一支MSZ2360 型锚固剂。钻孔直径选择30 mm，孔深在2290～2310 mm 之间，锚固长度选择1208 mm。锚杆托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm，采用高强度拱形托板，设计要求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。螺母的设计预紧力矩为400 N·m，设计锚固力为190 kN。

锚杆每排布置6 根，排距为1000 mm，间距为1000 mm，两端锚杆距巷帮300 mm。锚杆垂直巷道顶板，角度偏差不超过±5°。

网片选用型号为LW10/50-1.2×3.5，采用10#铁丝编织的菱形网护帮，网格为50 mm×50 mm，其搭接方式为在网片之间采用后排网压前排网方式搭接，搭接长度不小于100 mm，采用双股联网丝（16#铁丝）捆扎，每米捆扎12 道，拧结5 圈，其锚索采用“1-1”布置方式。

3 支护参数校核

3.1 理论分析

根据43311 巷道的工作面技术特征以及支护的需要，利用工程类比法及现场经验选择锚杆支护系统支护顶板。根据本设计的支护理念，决定采用自然平衡拱原理作为锚杆支护设计的数学模型，通过巷道围岩层间的关系来确定巷道支护的锚杆参数。平衡拱理论认为，煤矿巷道在开掘以后由于受到地应力作用，煤层中围岩层与层间的相互支撑连接关系被破坏，失去应力支撑能力，随着不断向深部延伸，巷道围岩稳定性逐渐提高，从而形成自然平衡拱，达到整体围岩稳定的目的。普氏围岩压力计算模型如图1。

图1 普氏围岩压力计算模型

而普氏理论是在自然平衡拱理论的基础上，作了如下两点的假设：

（1）岩体由于节理的切割，经开挖后形成松散岩体，但仍具有一定的粘结力；

（2）开挖后，硐顶岩体将形成一自然平衡拱。在硐室的侧壁处，沿与侧壁夹角为45°-θ/2 的方向产生两个滑动面，其计算简图如图1 所示。而作用在硐顶的围岩压力仅是自然平衡拱内的岩体自重。

3.2 支护参数校核

根据普氏理论和自然平衡拱理论以及两个假设的基础可以得到煤帮破坏深度 ：

式中：h为巷道高度，取3.6 m；θ为近似摩擦角，其表达式为θ=tg-1f；f是煤的普氏硬度系数，取0.9。

自然平衡拱高度b的表达式可以表示为：

式中：a为巷道宽度数值的一半，取2.8 m；f为顶板岩体的普氏硬度系数，粉砂岩的普氏硬度系数取4。锚杆的长度计算公式可以表示为：

式中：l1为锚杆的外露长度，取值0.1 m；l2为锚杆有效长度，取1.10 m；l3为锚杆深入基本顶长度，l3的长度计算在此分别用两种方法：

（1）根据经验公式取值0.3～0.4 m。

（2）按照锚固粘结力与拉断承载力关系计算，则有如下的关系：

式中：d为锚杆直径；σt为锚杆抗拉强度，锚杆材质为HRB500 钢筋的左旋无纵筋螺纹钢锚杆；τc为粘结强度，一般取值为6 MPa。因此根据式（1～4）计算就可得到锚杆长度。

根据《采矿工程设计手册》和《煤巷锚杆支护理论与成套技术》锚杆直径计算公式为：

式中：d为锚杆的直径，m；Q是锚杆锚固力，一般取现场拉拔力试验数据的平均值或经验数据。

根据《采矿工程设计手册》和《煤巷锚杆支护理论与成套技术》锚索设计长度应满足：

式中：L为锚索的总长度；La为锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，其计算公式为：

式中：K为安全系数，根据经验一般取2；d1为锚索直径；fa为锚索抗拉强度；fc为锚索与锚固剂的粘结强度；Lb为需要悬吊的不稳定岩层厚度，即为自然平衡拱的高度；Lc为托盘及锚具的厚度；Ld为外露升拉长度。

顶板悬顶面积计算公式为：

式中：A为悬顶的面积；Q为锚杆设计锚固力；r为被悬吊岩石容重；L2为冒落拱高度。

由式（1～8）可得巷道整体压力，即自然平衡拱的高度、锚杆的长度、锚杆直径和锚索长度以及锚杆间排距的计算结果，见表3。

表3 实际巷道设计值和理论计算值的对照

通过表3 可以得出：巷道43311 掘进工作面选择的断面以及支护参数满足巷道支护设计要求。

4 结论

针对围岩破碎、支护困难等问题，根据巷道的技术特征和地质条件，利用自然平衡拱原理对支护参数进行校核计算。校核计算结果表明巷道43311选择的断面以及支护参数均能够满足设计要求，能够保证巷道整体稳定性以及安全性。