23108 工作面材料巷外段支护技术的实践应用

马 佳

（山西焦煤西山煤电斜沟煤矿，山西 吕梁 033601）

1 概况

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿23108 工作面材料巷外段全长200 m（中-中），用于回采工作面材料运输。23108 工作面材料巷外段地面标高+1035～ +1209 m，井下标高+775～ +831 m，北侧为21 采区上山，南为21 采区上山，其他均为实煤区，对掘进无影响。煤层厚度为13.70～15.20 m，平均厚度14.58 m；煤层倾角7.0°～8.6°，平均倾角为7.9°。直接顶为砂质泥岩，平均厚度3.82 m，普氏硬度3～4；基本顶为中细粒砂岩，平均厚度11.39 m，普氏硬度6～7；直接底为粘土岩，平均厚度2.56 m；基本底为泥质砂岩，平均厚度9.89 m。采用全断面一次成巷方式施工，使用EBZ260 型掘进机配合刮板/JS-80 带式输送机出煤。

2 巷道支护方案

23108 工作面材料巷外段巷道断面及规格见表1。采用锚杆、锚索、钢带、金属网支护作为永久支护[1-7]。

表1 巷道断面及规格

2.1 支护材料

2.1.1 顶锚杆

采用Φ22 mm×2600 mm 高强度左旋螺纹钢树脂锚杆（配套球心和尼龙垫圈），每根锚杆安装1卷MSCKb2380 和1 卷MSZ2380 树脂药卷，托盘采用150 mm×150 mm×10 mm 的可调心拱形托盘。

2.1.2 帮锚杆

1-1 断面、2-2 断面煤柱帮：帮锚杆采用Φ20 mm×2200 mm 左旋螺纹钢树脂锚杆（配套球心和尼龙垫圈），每根锚杆安装1 卷MSCK2380 树脂药卷，每根配1 个BHW400-280-2.75W 锚杆钢护板和1 个110 mm×110 mm×10 mm 的可调心拱形托盘。

2-2 断 面 工 作 面 帮、4-4 断 面： 采 用Φ20 mm×2100 mm 全螺纹玻璃纤维锚杆，每根锚杆安装1 卷MSCKb2380 树脂药卷、1 个规格BHW400-280-2.75W 锚杆钢护板和一个Φ125 mm 的玻璃钢托盘。

2.1.3 锚索

顶 锚 索： 采 用Φ21.6 mm×12 000 mm 钢绞线配MK22 球形锁具，每根锚索安装1 卷MSCKb2380 和2 卷MSZ2380 树脂药卷，锚索托板采用300 mm×300 mm×14 mm 可调心拱形托板。

1-1 断面、2-2 断面煤柱帮锚索：采用Φ21.6 mm×3500 mm 钢绞线配MK22 球形锁具，每根锚索安装1 卷MSCKb2380 和1 卷MSZ2380 树脂药卷，锚索托板采用300 mm×300 mm×14 mm 可调心拱形托板。

2.1.4 钢带

1-1 断面采用5600 mm×280 mm“W”型7 孔钢带，2-2 断面采用5300 mm×280 mm“W”型7孔钢带，4-4 断面采用4200 mm×280 mm“W”型6 孔钢带。

2.1.5 金属网

采用Φ4.0 mm 的菱形金属网，网孔50 mm×50 mm。金属网规格：1-1 断面6800 mm×1200 mm，2-2断 面6500 mm×1200 mm，4-4 断 面5400 mm×1200 mm。

2.2 巷道参数

2.2.1 1-1 断面（1～90 m）

顶锚杆采用7 根矩形布置，间距900 mm，排距900 mm；帮锚杆采用4 根矩形布置，间距900 mm，排距1000 mm；顶锚索采用3 根矩形布置，间距1800 mm，排距1800 mm；帮锚索距底板2200 mm 布置一排，间距1800 mm。

2.2.1 2-2 断面（90～200 m）顶锚杆采用7 根矩形布置，间距850 mm，排距900 mm；帮锚杆采用3 根矩形布置，间距850 mm，排距1200 mm；顶锚索采用三花形布置，间距2550 mm，排距1800 mm；帮锚索距底板2000 mm 布置一排，间距1800 mm。

2.2.3 4-4 断面（回风联巷）

顶锚杆采用6 根矩形布置，间距800 mm，排距1000 mm；帮锚杆采用3 根矩形布置，间距1000 mm，排距1200 mm；顶锚索采用3 根花形布置，间距1600 mm，排距2000 mm。

3 支护参数合理性分析

3.1 锚杆设计

顶锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮体作用，达到支护效果的条件。

（1）按锚杆悬吊作用计算

式中：L为锚杆长度，mm；L1为锚杆外露长度，取50 mm；L2为锚杆有效长度，mm；L3为锚入稳定岩层内深度，mm（顶锚杆取800 mm，帮锚杆取600 mm）。

（2）普氏免压拱高

式中：B为巷道掘进宽度，取2-2 断面5500 mm；H为巷道掘进高度，取2-2 断面3800 mm；f顶为顶板岩石普氏系数，取6.0；ω帮为两帮围岩内摩擦角，取63.26°。

计算普氏免压拱高：

（3）破碎深度

式中：H2-2为巷道掘进高度，H2-2=3800 mm；ω帮为两帮围岩内摩擦角，取63.26°。计算破碎深 度c=3800×tan（45°-63.26°/2）=878.71 mm。计 算L顶=50+604.78+800=1 454.78 mm；L帮=50+604.78+600=1 254.78 mm。

依据上述公式计算得出：L顶≥1 454.78 mm，L帮≥1 254.78 mm；而23108 工作面材料巷外段顶锚杆和帮锚杆长度分别为2600 mm、2200 mm，锚杆长度校核符合要求。

（4）锚杆直径

顶、帮锚杆直径按下列公式计算。

式中：Q为锚杆锚固力，Q顶取1.5×105N，Q帮取5.0×104N；σt为锚杆的抗拉强度，σt顶取5.4×108Pa（Ф22 mm 螺纹钢锚杆），σt帮取6.8×108Pa（Ф20 mm 玻璃钢锚杆）。

工作面巷道实际所选用的顶锚杆为MSGLW-400/22×2600 无纵肋螺纹钢式树脂锚杆，直径为22 mm；帮锚杆为Φ20 mm×2200 mm 无纵肋螺纹钢式树脂锚杆，直径为20 mm；均大于计算出的直径，锚杆直径校核符合要求。

（5）锚杆的间、排距计算

考虑安全系数问题，锚杆的锚固力

式中：Q为锚杆的锚固力，取150 kN；G为岩石重量，kN；a为锚杆间排距，mm；γ为岩体容重，取25 kN/m3；k为安全系数，取2；L2为巷道顶板岩体破碎深度878.71 mm，即0.878 m。

23108 工作面材料巷外段巷道锚杆的间排距均计算1.848 m，锚杆间、排距校核符合要求。

3.2 锚索设计

（1）锚索长度

式中：L为锚索总长，m；La为锚固长度，m；Lb为不稳定岩层厚度（根据自然平衡拱拱高理论计算：Lb=6 m）；Lc为上托盘及锚具的厚度，取0.1 m；Ld为需要外露的涨拉长度，取0.25 m。

锚索锚固长La：

式中：K为安全系数，取2；d1为钢绞线直径，取21.6 mm；fa为钢绞线抗拉强度，取1770 MPa；fc为粘合强度，取10 N/mm。根据公式可计算La≥2×21.6×1770/（4×10）=1 911.6 mm ≈1.91 m。

计算L=1.91+6.0+0.1+0.25=8.26 m，23108 工作面材料巷外段巷道锚索长度选用为12 m，锚索长度校核符合要求。

（2）锚索间排距

23108 工作面材料巷外段掘进工作面按巷宽最大5.8 m，巷高最大4.2 m，采用悬吊理论，采用锚索排距计算公式计算锚索间排距为4.58 m，而23108 工作面材料巷外段支护选取锚索排距最大为2.0 m，锚索排距校核符合要求。

4 应用效果

23108 工作面材料巷外段巷道采用锚杆、锚索、钢带、金属网支护作为永久支护，巷道掘进期间采用随掘随锚的支护方式，并对23108 工作面材料巷外段顶板离层、顶底和两帮移近量进行了监测。在施工掘进期间，23108 工作面材料巷外段巷道顶板最大移近量为75 mm，底板最大移近量为34 mm，两帮累计移近量为86 mm，巷道变形较小，巷道围岩得到了有效控制，表明23108 工作面材料巷外段巷道支护方案和支护参数选择合理。