固庄煤业15709 运输巷支护参数设计与应用

薛武涛

（山西省阳泉固庄煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

巷道围岩的稳定控制是保证矿井高效开采的关键因素，目前巷道围岩控制主要以锚网为核心的主动支护和以型钢为核心的被动支护技术为主[1-6]。

1 概况

固庄煤业15709 工作面位于15 号煤二采区东翼，西部为15501 工作面采空区，东部为里龙光峪煤矿，南部为15203、15204 工作面采空区，北部为村庄保护煤柱。15709运输巷服务于15709工作面，巷道断面设计为矩形，尺寸为5.5 m×3.0 m，巷道沿15 号煤层顶板掘进。15709 工作面区域煤层厚度6.55～7.16 m，平均6.86 m，煤层倾角3°～6°，平均5°，煤层普氏系数2～3，节理、层理发育。煤层基本顶为K2 灰岩，厚度7.4 m，含方解石，质不纯；直接顶为黑色页岩，厚度3.7 m，含黄铁矿，动物化石，钙质碳质；基本底为灰色砂岩，厚度2.3 m，含黄铁矿，有部分页岩。

2 15709 运输巷支护参数设计

根据15709 运输巷顶、底板地质条件，巷道直接顶为页岩，厚度3.7 m，老顶为K2 灰岩，厚度7.4 m，属坚硬顶板，宜采用锚网索联合支护。

2.1 支护参数初步选择

根据邻近巷道支护现状与巷道工程地质条件，进行了15709 运输巷锚杆索参数的初步选择，具体如下：顶锚杆使用直径22 mm、长度2400 mm、钢号335 的专用钢材制作而成，帮锚杆使用直径20 mm、长度2000 mm、钢号335 的专用钢材制作而成，间排距900 mm×900 mm、800 mm×900 mm；顶锚索采用直径21.8 mm、长度8500 mm 的钢绞线，间排距2000 mm×1800 mm。

2.2 锚杆索支护参数校核

（1）锚杆支护参数校核

① 锚杆长度校核

顶锚杆主要作用为悬吊，帮锚杆主要作用为加固帮体，锚杆长度L应满足以下公式[6]：

式中：l1表示锚杆实际外露长度，一般0.1～0.15 m，取0.1 m；l2表示锚杆有效支护长度，顶锚杆取顶板冒落高度，取1.2 m，帮锚杆取煤帮破碎深度，取0.8 m；l3表示锚固长度，取1.0 m。经计算顶锚杆不低于2.2 m，帮锚杆长度不低于1.9 m，设计采用的顶锚杆长度2.4 m，帮锚杆长度2.0 m，满足要求。

② 锚杆直径校核

根据杆体承载能力与锚固力校核，锚杆直径应满足以下公式[6]：

D=1.13（Q/σ）0.5（2）

式中：Q表示锚杆锚固力，设计取130 kN；σ表示锚杆杆体抗拉强度，设计取490 MPa。计算得到D=18.41 mm，设计采用的顶帮锚杆直径分别为22 mm、20 mm，满足要求。

③ 锚杆间排距校核

采用悬吊理论计算校核，锚杆间排距n应满足以下公式[6]：

n≤（Q/khγ）0.5（3）

式中：Q表示锚杆锚固力，设计取130 kN；γ表示岩层容重，设计取2600 kg/m3；k表示安全系数，设计取3.0；h表示顶板冒落高度，设计取1.2 m。经计算n≤1179 mm，设计采用的顶锚杆间排距900 mm×900 mm，帮锚杆间排距700 mm×900 mm，满足校核要求。

综上所述，设计的锚杆支护参数可以满足固庄煤业15709 运输巷围岩支护的要求。

（2）锚索支护参数校核

① 锚索长度校核

采用悬吊理论校核锚索长度，锚索长度L需满足以下公式[6]：

L=l1+l2+l3+l4（4）

式中：l1表示锚索锚固长度，应满足l1≥K（DF1/4F2）（K表示安全系数，设计取2.0；D为锚索直径，设计取22 mm；F1表示锚索抗拉强度，设计取1860 MPa；F2表示锚索锚固强度，设计取10 MPa），经计算l1≥2046 mm；l2表示需要锚索有效长度，根据顶板岩性确定，设计取6000 mm；l3表示托盘锁具长度，设计取68 mm；l4表示外露长度，设计取250 mm。经计算L=8364 mm，顶锚索长度设计8.5 m，满足要求。

② 锚索数量校核

采用悬吊理论校核锚索数量，每排锚索的数量S应满足以下公式[6]：

式中：K表示安全系数，取2.0；W表示悬吊顶板岩层的重量，W=ahγd（a表示巷道宽度，设计取5500 mm；h表示悬吊顶板岩层的厚度，设计取2000 mm；γ表示岩层容重，设计取2600 kg/m3；d表示锚索排距，设计取1800 mm），经计算W=515 kN；P表示锚索的破断载荷，设计取583 kN，经计算S=1.77，设计采用的顶板锚索间排距为2000 mm×1800 mm，每排2 根，满足校核要求。

综上所述，采用锚索支护参数可以满足固庄煤业15709 运输巷围岩支护的要求。

2.3 支护参数设计

基于上述校核结果，15709 运输巷顶板采用锚网索带联合支护，巷帮采用锚网联合支护，如图1，具体如下：

图1 巷道支护断面图（mm）

（1）顶锚杆使用直径22 mm、长度2400 mm、钢号335 的专用钢材制作而成，间排距900 mm×900 mm， 每 排 布 置7 根， 配 套150 mm×150 mm×10 mm 的高强度拱形托板、1 支MSCKbMSK23100 双速树脂锚固剂锚固，预紧力矩不低于280 N·m，采用型号BHW235/280-4 的W钢带连接；顶锚索采用直径21.8 mm、长度8500 mm 的钢绞线，间排距2000 mm×1800 mm，每排2 根，配套300 mm×300 mm×16 mm 高强度拱形托板、1 支MSCKbMSK23120 双速树脂锚固剂锚固，金属网采用4 号钢筋编制的经纬网，规格2200 mm×1100 mm。

（2）帮锚杆使用直径20 mm、长度2000 mm、钢号335 的专用钢材制作而成，间排距800 mm×900 mm，每排4 根，配套150 mm×150 mm×10 mm 的高强度拱形托板、1 支MSCKbMSK23100 双速树脂锚固剂锚固，金属网采用8#铁丝编制的菱形网，规格2600 mm×1100 mm。

3 控制效果分析

将设计的支护参数应用于15709 运输巷掘进，同时监测15709 运输巷围岩变形情况，监测结果如图2。由图2 可知，巷道掘进至稳定历经4 个月左右（120 d），巷道顶底板累计变形量约113 mm，两帮累计变形量约75 mm。其中巷道掘进0～80 d时间内，变形速度相对较快，该阶段巷道顶底板变形速度在0.9～1.65 mm/d 范围，两帮变形速度在0.45～1.05 mm/d 范围。整体来看，15709 运输巷变形量较小，表明了设计的支护参数合理性较好，有效控制了围岩变形。

图2 巷道围岩变形曲线图

4 结论

以锚网为核心的主动支护技术广泛应用于煤矿巷道中，以15709 运输巷生产地质条件为背景，初步选择了锚杆索参数，采用悬吊理论校核了相关的主要参数，基于此，具体设计了15709 运输巷支护技术与参数。现场应用结果显示，15709 运输巷掘进至稳定历经4 个月左右，巷道稳定后，顶底板累计变形量约113 mm，两帮累计变形量约75 mm，表明设计的支护技术和参数有效控制了固庄煤业15709 运输巷围岩变形。