“断层+背向斜”构造条件下工作面巷道支护技术研究

李永刚

（阳煤集团华阳新材料科技有限责任公司新元公司，山西 寿阳 045400）

1 概况

阳煤集团新元公司31006 工作面的31006 辅助进风巷、回风巷由西向东布置，西邻集中回风大巷（西）、集中胶带大巷、集中辅运大巷、集中回风大巷（东）、新补辅运巷，北邻31004 工作面（正布置）。31006 辅助进风巷设计全长3 227.8 m，煤层倾角2º～5º，平均3º，煤层厚度2.50～3.30 m，平均2.93 m。

根据三维地震资料，31006 辅助进风巷总体为宽缓的向、背斜构造影响区，该面圈定两个向斜、两个背斜构造及3 条正断层；31006 辅助进风巷依次施工至704 m、1396 m 可能存在JX4、JX5 陷落柱。31006 辅助进风巷沿3#煤层顶板掘进，采用综掘工艺，掘一排、支护一排。

2 辅助进风巷支护方案

2.1 巷道断面及支护形式

根据对3#煤层顶板矿压观测数据的统计和顶板支护经验，为满足31006 工作面通风要求，初步设计31006 辅助进风巷为矩形断面，顶部支护采用W钢带、金属网、锚索、锚杆联合支护，帮部采用金属网、锚杆、锚索联合支护。巷道断面特征见表1。

表1 巷道断面特征表

2.2 支护参数设计

2.2.1 锚索支护参数

（1）在验算锚索支护理论的过程中，需要将悬吊理论作为主要内容。通过这种方式可以避免巷道顶板冒落。使用以下公式：

式中：G 为锚索所承担的危石或者离层岩层的重量，kN，在计算的过程中需要确保离层岩层厚度大于或等于一半的巷道宽度，此处选择3.0 m；K 代表的是安全系数，通常其取值为2；n 代表的是锚索根数；γ 代表的是岩石容重，26.7 kN/m³；A 代表的是锚索所对应的设计承载力，N。

G进风= h·S·γ =5.2×3.2×1×26.7=444.29 kN

G回风= h·S·γ =5.6×3.5×1×26.7=523.32 kN

(3)从节点网络来看，2010-2016年河南省各节点城市的程度中心度普遍提高，旅游经济联系不断增强，但是城市间的旅游交往能力差异性较大，其中郑州、洛阳、开封与其他城市旅游经济联系最为频繁，是河南省旅游经济联系交往的关键枢纽。此外，随着各个节点城市旅游经济联系的可进入性普遍提高，城市间旅游经济距离捷径化，边缘城市的作用得到发挥。近7年间郑州的中介中心度一直居于首位，表明郑州市的节点网络开放程度较高，对其他城市的控制力最强，但是如果过度依赖郑州的中介作用，又会使整个旅游经济网络结构具有脆弱性。

KG进风=2×444.29=888.58 kN

KG回风=2×523.32=1 046.64 kN

N进风≥K·G/A=888.58/550=1.6 根

N回风≥K·G/A=1 046.64/550=1.9 根

由K·G ≤n·A 知道：31006 辅助进风巷平均一排有6 根＞1.6 根；经过计算以后得出最终得到的根数能够满足相关要求。

（2）利用“组合梁”悬吊理论对不同锚索之间的距离进行校核。

为了避免巷道顶板岩脱落，可每排设置6 根Φ21.6 mm×8300 mm 钢绞线，借助于用锚杆加固而成的“组合梁”，将其悬挂在坚硬岩层上，然后再对锚索之间的距离进行核验。如果不考虑内摩擦力，不考虑岩体粘结力，在垂直方向上达到力平衡以后，对锚索间距的计算可以通过下列公式：

式中：L 代表的是锚索间距，m；B 代表的是巷道冒落宽度的最大值，取值为5.2 m；H 代表巷道冒落高度，结合冒落高度的最严重值取3.2 m；γ 代表的是岩体比重，26.7 kN/m³；L1代表的是排距1.1 m；F1代表的是锚杆锚固力190 kN；F2代表的是锚索极限承载力，最终取值550 kN；θ 代表的是巷道顶板与角锚杆垂直；n 代表的是锚索排数，取值为1。

实际所选择的锚索间距0.9 m/1.0 m 比L 小，设计的锚索参数与相关的设计要求相符。

2.2.2 锚杆支护参数

（1）校核锚杆长度

为了实现支护的目的，可以借助于锚杆对帮体进行加固，需要满足的条件为L ≥L1+L2+L3。

式中：L 代表的是锚杆长度总值，mm；L1代表的是锚杆外露长度（W 钢带+托板+螺母的总厚度，帮锚杆取值等于140 mm）；L2代表的是有效长度（对于帮锚杆而言，煤帮破碎深度等于c）；L3代表的是锚入岩层内深度（帮锚杆取值等于800 mm，锚杆取值等于800 mm）。

式中：B、H 代表的是巷道掘进所对应的高度和跨度，取值H=3200/3500 mm，Bmax=5200/5600 mm；f顶代表的是顶板岩石所对应的普氏系数，f顶的取值等于3；ω帮代表的是两帮围岩所对应的内摩擦角，ω 得71.56°。

使用以上公式经过计算以后可以得到：

顶锚杆长L进风顶=70+1 039.5+800=1 907.5 mm；

帮锚杆长L进风帮=140+518.4+800=1 458.4 mm。

根据实际情况可知，帮锚杆长度都等于2400 mm，设计采用的帮锚杆和顶锚杆长度都符合相关要求。

（2）帮锚杆和校核顶之间的排距、间距应当满足以下要求：

式中：a 代表的是锚杆间、排距，m；G 代表的是锚杆设计锚固力，kN/根；k 代表的是安全系数，通常情况下取值为2；L2代表的是有效长度（顶锚杆取值等于b，帮锚杆的取值等于c）；γ 代表的是岩体容重，取26.7 kN/m³。

顶、帮锚杆间、排距为0.9 m、1.0 m、1.1 m＜a，顶、帮锚杆间、排距都与校核等相关计算要求相符。

2.3 支护方案

顶部采用6 眼5.0 mW 钢带，每排钢带眼内打6 根Φ22 mm×2400 mm 锚杆，每排钢带中间打设3 根Φ21.6 mm×8300 mm 锚索，下一排钢带中间打设4 根Φ21.6 mm×8300 mm 锚索，采用3/4 锚索布置，锚索排距为1100 mm，间距为1200 mm，全都垂直顶板岩层打设。采帮和煤柱帮每排布置3根Φ20 mm×2400 mm 锚杆，第一根帮锚杆距顶为400 mm，第三根帮锚杆距底400 mm，排距、间距1100 mm；煤柱帮每排布置2 根Φ17.8 mm×4200 mm 锚索，锚索间距1200 mm，排距1100 mm，第一根帮锚索距顶800 mm，第二根帮锚索距底板1200 mm。在打设的过程中，安装角度以及布置锚索、钢带等的方式参考图2。

图2 31006 辅助进风巷断面支护图（1:100）

3 支护效果

为了验证31006 辅助进风巷的支护效果，在巷道100～500 m 范围分为两段进行支护试验，并布置了巷道变形测试仪，对巷道顶底板、两帮变形情况进行监测，直观了解巷道支护效果。100～400 m 范围采用上述巷道支护技术，在400～500 m 范围内采用传统的巷道支护方式。通过60 d 的观测，对测试的数据进行整理分析，得出如图3 所示的巷道表面变形观测曲线图。

图 3 巷道顶板及巷道两侧变形观测曲线

根据图3 中曲线的变化趋势来看，在31006 辅助进风巷支护的前10 d 内巷道顶底板的变形量为42 mm，巷道两帮的变形量为73 mm。可以得出巷道顶底板的变形量远远小于巷道两帮的变形量，变形速度较快。随着工作面的回采，在20 d 内，两帮的变形量也大于顶板变形量，但是变形的速度变慢。20 d 以后，巷道顶底板和两帮的变形趋势较慢，直至稳定。最终的两帮变形量为120 mm，顶底板的变形量为70 mm，并通过与采用原有传统支护方式比较发现，两帮的变形量为146 mm，相较使用新的支护方式后变形量减小18%，而顶板的变形量为87 mm，相较使用新的支护方式后变形量减小17%。比较分析得出，巷道顶板和两帮均得到了有效控制。