义棠城峰煤业薄煤层回采巷道支护设计研究

邓东杰

(山西介休义棠城峰煤业有限公司，山西 介休 032000)

1 工程概况

义棠城峰煤业位于山西省晋中市介休市，主采的1号煤层厚度较小，平均厚度仅为1.05 m。已揭露煤层倾角变化为20～28°，平均24°，煤层较为稳定。如表1所示，煤层上方为0～2.27 m的砂质泥岩及6.03～12.15 m的粗粒砂岩。煤层底板为均厚6.27 m的粉砂岩。

表1 煤层顶底板岩性

通过对1号煤层进行煤质分析，可知1号煤层为焦煤，属特低灰-低灰、低硫、低热值-特高热值煤。由于1号煤层厚度较小，施工空间有限，一旦巷道支护不合理导致围岩失稳引发事故，极难处理[1-4]。通过研究1号煤层回采巷道支护形式，对有效回采1号煤层的优质煤炭资源意义重大。

2 回采巷道支护方案设计

2.1 锚杆支护形式与参数设计

根据检测报告数据，顶板岩层平均容重为26.3 kN/m3，两帮岩层容重为14 kN/m3，顶板岩体的普氏系数为2.1，两帮内摩擦角为47.9°。结合公司以前的工程实际，选用锚杆杆体的牌号为MG335。根据普氏理论，巷道两帮及顶板锚固参数确定如图1所示。

图1 锚固参数计算

如图1所示：

(1)

式中：b1为普氏免压拱高度，m；a＇为两帮滑动三角体上宽，m；B＇为巷道等效跨度，m；B为巷道掘进的跨度，3.4 m；H为巷道高度，2.4 m；φb为岩层内摩擦角，45°；fd为顶板岩体普氏系数，取2.1。

经计算可得：b1=1.249 m，a＇=0.924 m，B＇=5.248 m。

2.1.1 顶锚杆支护参数

1) 顶锚杆长度。锚杆长度可由下式计算：

l=l1+l2+l3

(2)

式中：l为顶锚杆长度，m；l1为外露长度，0.1 m；l2为有效长度，参考免压拱高度，取1.249 m；l3为锚入坚硬岩层的长度，m。

其中l3可由下式计算：

(3)

式中：d为锚杆直径，0.018 m；σt为锚杆抗拉强度，455 MPa；τa为锚杆与树脂的粘结强度，3.5 MPa。

计算可得：l3=0.585 m，l=1.93 m。

2) 顶板锚杆间排距。锚杆间排距可由下式计算：

(4)

式中：a为锚杆间排距，m；Q为顶锚杆锚固力，85 kN；K为安全系数，1.65；γd为顶板岩层容重，26.3 kN/m3。

代入数据计算可得：a=1.252 m。

综合考虑《设计规范》及义棠城峰煤业地质条件和施工条件，考虑到一定的安全系数，确定顶锚杆长度为2 m，间排距为800 mm×800 mm，靠近巷帮的锚杆与垂直方向呈15°夹角，其余顶板锚杆垂直布置。

2.1.2 帮锚杆参数设计

1) 帮锚杆长度。帮锚杆长度同样可由公式(2)计算，但是帮锚杆有效长度l2参考巷帮滑动三角体上宽，取0.924 m，计算可得帮锚杆长度l＇=1.609 m。

总侧压计算可得：P=qcH=32.849 kN。

锚杆布置密度为n=P/Q＇=0.208。

式中：Q＇为帮锚杆锚固力，85 kN。

综合考虑《设计规范》及义棠城峰煤业地质条件和施工条件，考虑一定的安全系数，确定帮锚杆长度为2 m，间排距为1 000 mm×800 mm，靠近巷帮的锚杆与垂直方向呈15°夹角，其余帮锚杆垂直布置。

2.2 锚索支护参数设计

根据现场顶板岩层钻孔柱状图可知，锚索的锚固段应处于煤层上方粗粒砂岩层中，因此，锚索长度设计为6.2 m。

顶板荷载集度为：q=γbb1=32.849 kN/m。

社会网络是由作为节点的社会行动者(social actor)及其间的关系构成的集合[15]。在一个社会网络中，节点指代社会行动者，节点间连线寓含行动者间的关系。社会网络分析(social network analysis)是以行动者及其间的关系为“原材料”，利用制图、数量统计分析等技术可视化行动者间的社会关系结构。社会网络分析方法广泛被运用于文献计量学进行共词网络分析、合著网络分析、引文网络分析以期了解某学科或领域的研究现状而受到研究者们的喜爱，笔者借鉴该方法将正念疗法高频关键词共现矩阵导入Ucinet 6.0构建社会网络图谱，而后分析，见图3。

因此，顶板锚索间排距设计为1 000 mm×2 400 mm，每排布置两根锚索。

3 现场应用

3.1 支护方案

为验证前述支护设计是否合理，在义棠城峰煤业010105回采巷道进行现场试验，巷道断面为矩形，断面尺寸为净宽×净高=3.2 m×2.2 m，按照前述设计，010105回采巷道支护形式如图2所示，顶锚杆选用D18 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，顶板锚索规格为D17.8 mm×6 200 mm，间排距为1 000 mm×2 400 mm。

图2 巷道支护方案(mm)

3.2 现场监测

为验证巷道支护方案是否合理，考虑到回风巷道机械设备较少，更容易布置监测仪器及收集监测数据，因此在010105回风巷布置3个综合测站，每个测站都包括两个巷道围岩变形监测点、1个锚杆工作阻力监测点、1个锚索工作阻力监测点及1个顶板离层观测断面，现场监测曲线如图3所示。

如图3(a)所示，工作面回采期间巷道顶底板及两帮均产生了变形。工作面开采到距测站60 m左右时巷道开始产生变形，并随着工作面的不断推进，变形量逐渐变大，工作面开采过测站50 m后巷道基本不再变形。由观测数据可知，测站一巷道最终顶底板移近量为130 mm，两帮移近量为94 mm；测站二最终顶底板移近量为140 mm，两帮移近量为99 mm；测站三巷道最终顶底板移近量为120 mm，两帮移近量为96 mm。总体看，巷道顶底板移近量略大于两帮移近量，变形量在允许变化范围之内。

如图3(b)所示，工作面开采到距测站30 m左右时巷道围岩变形速度开始变大，由观测数据可知，测站一巷道顶底板最大移近速度为11 mm/d，两帮最大移近速度为9 mm/d；测站二巷道顶底板最大移近速度为13 mm/d，两帮最大移近速度为8.4 mm/d；测站三巷道顶底板最大移近速度为12.5 mm/d，两帮最大移近速度为7 mm/d。当工作面采过测站5～20 m时变形速度迅速减小，说明工作面开采后后方有一定范围的卸压区。工作面采过测站40 m后，变形速度逐渐减小。

图3 现场监测曲线图

如图3(c)所示，工作面开采初期时，各测站锚杆、锚索测力计读数一直没有变化，当工作面开采到距测站30～40 m时，由于受到工作面采动的影响，测力计读数才开始变化，并随着工作面的开采，锚杆、锚索受力逐渐增大，当工作面采过测站30 m后测力计读数不再变化。

如图3(d)所示，工作面开采期间，巷道顶板浅部和深部均产生了离层。从观测数据可以看出，测站一巷道浅基点最大离层量是12 mm，深基点最大离层量是20 mm；测站二巷道浅基点最大离层量是8 mm，深基点最大离层量是25 mm；测站三巷道浅基点最大离层量是10 mm，深基点最大离层量是28 mm。总体离层量较小，说明支护效果较好。

通过现场监测数据显示，巷道整体变形量不大，顶板岩层也没有离层失稳的隐患，锚杆(索)工作状态良好，可以起到有效的支护作用，表明支护方案合理，可以满足现场的安全生产需求。

4 结 语

薄煤层开采空间小，施工空间有限，一旦巷道围岩失稳发生事故，极难处理。以义棠城峰煤业为工程背景，采用理论计算、工程类比等方法，确定了义棠城峰煤业1号煤层回采巷道支护参数如下：顶锚杆选用D18 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，顶板锚索规格为D17.8 mm×6 200 mm，间排距为1 000 mm×2 400 mm。并在010105工作面进行现场试验，通过对010105回风巷围岩变形量、锚杆(索)受力及顶板离层进行现场监测，结果表明：巷道整体变形量不大，顶板岩层也没有离层失稳的隐患，锚杆(索)工作状态良好，可以满足现场的安全生产需求。