胶带巷延伸掘进支护方案应用研究

2022-06-01昝文东

煤 2022年5期

关键词：锚索锚杆胶带

昝文东

(山西汾西宜兴煤业有限责任公司,山西孝义 032303)

1 工程概况

宜兴煤业主采2号煤层，煤层平均厚度为1.74 m，煤层属于近水平煤层，煤层埋深200 m左右，煤层直接顶、基本顶岩性分别为泥岩、粉砂岩，厚度分别为1.05 m和1.75 m，直接底为4.55 m的细粒砂岩。煤层特征情况如表1所示。

表1 煤层特征情况

一采工作面地面西部为原孟南庄煤矿工业广场，西南部为孟南庄村，东部为庞庄村。一采工作面需要沿原一采区回风巷向南延伸，西部为孟南庄小窑破坏区，东部为一采胶带巷，北为1205工作面采空区。

延伸一采胶带巷的水文地质情况如下：本次所掘巷道煤层为二叠系2号下煤层，上距山西组K8砂岩裂隙含水层35 m左右，为巷道掘进的直接充水水源，2号下煤层顶板岩性主要为泥岩、砂质泥岩、砂岩等，属中等坚硬岩石。一采胶带巷掘进区域为实体煤，既无本矿采空区，也无小窑破坏区，采空区积水不影响巷道正常掘进。

一采胶带巷的延伸主要用于东部工作面回采时的回风。一采胶带巷延伸开口以坐标(X：4 094 732.584；Y：19 558 830.735)180°方位按8°上山开口施工，预计施工85.4 m后见2号下煤层，届时沿2号下煤顶板掘进106.5 m，(施工过程中若提前遇见2号下煤层，且煤层倾角小于9°时则按2号下煤层顶板施工)，巷道共计施工191.9 m到位。巷道终点坐标为X：4 094 924.484；Y：19 558 830.735。

2 一采胶带延伸巷锚杆索支护计算

2.1 锚杆支护计算

锚杆直径的计算主要依据以下公式，其中计算方式主要与锚杆抗拉强度和锚固力有关[1-2]：

式中：d为锚杆的直径，mm；F为锚杆在围岩深部的锚固力，顶锚杆为190 kN，帮锚杆为150 kN；t为锚杆的抗拉强度，取670 N/mm2。

首先，计算顶板锚杆，由上式可以得到：

其次计算帮锚杆同样可以得到D=16.9 mm。

结合现场施工情况及预留安全范围等因素，一采胶带延伸巷道顶板的锚杆直径被确定为22 mm，帮部的锚杆直径被确定为20 mm。

同时结合此矿初步设计的支护策略，并且通过钻孔窥视粗略测了围岩破坏范围，结果表明围岩的破坏范围在0.5～1.3 m内，依据围岩的破坏范围和主动支护需要锚固在稳定岩层，顶板和帮部锚杆的长度分别被确定为2.4 m和2.2 m。

结合此矿其他巷道的支护方案，从单位面积支护强度和支护密度来看，顶板锚杆的间距被确定为0.92 m，帮部锚杆的间距被确定0.8 m，顶板锚杆和帮部锚杆的排距均被确定为1 m。

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2.2 锚索支护验算

锚索的设计长度与巷道顶板岩体性质及巷道断面规格等有关。可以通过下面公式确定锚索长度：

La=La1+La2+La3

式中：La为锚索长度，m；La1为锚索端部漏出长度，取0.3 m；La2为锚索的实际有效长度，取2.7 m；La3为锚索在深部岩体的锚固长度，取2.4 m。

一般支护理论认为锚索支护不仅要锚固在稳定岩层中，而且要考虑稳定坚硬岩层厚度和巷道高度的关系，当坚硬岩层厚度大于3倍巷道高度时，锚索长度的确定视坚硬岩层的位置确定[3-4]，锚索在深部岩体的锚固长度被确定是2.4 m，锚索的有效长度用以下公式表示：

式中：hi为煤层顶板至稳定岩层的每层厚度，m；i为煤层顶板至稳定岩层层数。

基于锚索需要锚固在深部坚硬稳定的岩层中，结合一采胶带巷顶板岩性情况，煤层顶板到深部稳定岩层的厚度约2.7 m，所以La2取2.7 m。代入数据可得：

La=La1+La2+La3=0.3+2.7+2.4=5.4 m

因此综合考虑锚索长度被确定为5.5 m。锚索布置间排距结合巷道服务年限和以前巷道布置方案分别取1.2 m和2 m。

3 一采胶带延伸巷联合支护形式及参数

一采胶带延伸巷道整体采取锚杆、钢筋网、锚索、钢带和喷浆联合支护如下：

1) 锚杆、锚索支护：顶板采用型号为D22-M24-2 400的高强度螺纹钢锚杆，配用150 mm×150 mm×10 mm的可调心拱型高强度托盘(配有调心球垫和塑料减摩垫片)，锚杆配套1支MSK2355药卷和1支MSZ2355药卷(快速药卷在上部，中速药卷在下部)，顶板锚杆间排距为920 mm×1 000 mm。

2) 巷道两帮采用D20—M22-2 200的高强度螺纹钢锚杆，配用150 mm×150 mm×10 mm的可调心拱型高强度托盘(配有调心球垫和塑料减摩垫片)，每根锚杆配套使用2支MSZ2355锚固剂。锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。帮部锚杆布置距顶0.2 m，距底0.3 m。每排施工8根帮锚杆。

3) 顶板锚索采用D21.8 mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为5 500 mm；加配300 mm×300 mm×14 mm的拱形高强度锚索托盘进行支护。顶板锚索“三·三型”布置，均每隔2 m布置1排，每排3根，即沿巷中及左右1.2 m各布置1根。每根锚索配套1支MSK2355的药卷和2支MSZ2355的药卷(快速药卷在上部，中速药卷在下部)。

4) 巷道两帮锚索采用D17.8 mm×3 500 mm的钢绞线，加配200 mm×200 mm×10 mm的平钢托盘进行支护。帮部锚索每排布置2根，左右帮各1根，即第一排锚索布置距顶0.6 m，第二排锚索布置距顶1.5 m，锚索布置在两排钢带中部，以此交叉施工；每根锚索配套2支MSZ2355的药卷。

5) 巷道全断面采用钢筋网片，钢筋网采用D6 mm盘条加工而成，规格为2 000 mm×1 000 mm。网眼规格为150 mm×150 mm，铺网时要求联接好，网与网用16号双股铅丝扭接紧固不少于3圈，联网距不大于200 mm，网片对接。

6) 顶板支护配用D14 mm，L=4 800 mm的圆钢钢带，帮部支护采用长度D14 mm，L=1 800 mm和D14 mm，L=1 000 mm的圆钢钢带搭接一个眼使用。

7) 喷射混凝土强度为C20，喷射厚度为100 mm。

具体支护方案如图1所示。

4 一采胶带延伸巷围岩变形监测

在一采胶带巷掘进过程中，在掘进工作面后0.4 m处布置监测断面，在巷道顶板和两帮布置监测点对围岩变形量进行监测，监测数据如图2所示。

图2 巷道围岩变形量监测数据

可以看出，随着巷道的掘进，监测断面处的围岩变形量整体趋势为先增加后不变。变化过程可以分为3个阶段，第一个阶段是变形速率急剧增加阶段，顶板最大变形速率可以达到3.8 mm/d，两帮变形速率最大2.5 mm/d；第二个阶段是变形速率缓慢增加阶段，顶板和两帮的变形速率减小，基本都是0.8 mm/d左右；第三个阶段是稳定阶段，距开挖面50 m左右时，巷道围岩变形速率基本为0，巷道达到稳定状态。