小庄矿井大断面回采巷道支护参数研究及防治措施

吴章涛，刘 斌

（1.陕西彬长矿业集团 小庄矿业有限公司，陕西 咸阳；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安)

引言

回采巷道作为矿井开采的运输枢纽起着至关重要的作用，在工作面回采过程中其稳定性决定了作业人员的人生安全和矿井高效开采[1-2]。因此，对巷道支护参数的研究成为控制巷道整体稳定性的关键，同时需提供合理的防治措施。

目前，对巷道支护的研究主要是结合各种力学和数值计算模型开展相关分析，得到适应于研究矿井地质条件的支护参数，并通过现场实测验证，将支护参数应用到相似地质条件或相邻巷道[3-4]。冯一强依据现场支护巷道围岩变形特征开展了大量的监测工作，得到了巷道围岩位移曲线和受力曲线的关系[5]。由此可见，对巷道支护参数的研究，在矿井开采过程中扮演着不可替代的作用，合理的支护参数利于工作面的安全高效回采。

本文以小庄矿井40207 工作面胶运顺槽作为研究背景，采用现理论分析和现场监测的方法对松动圈范围、支护参数和防治措施展开研究，研究结果将进一步服务于现场生产。

1 工程背景

40207 工作面位于小庄矿井4 煤层二盘区西翼中部，东部紧邻中央2#回风大巷，北部为尚未准备的40209 工作面，西部紧邻西平铁路保护煤柱，南部为40205 综放工作面采空区。工作面地表以沟壑地貌为主，研究区岩层相对平稳，地面标高+1 017～+1 151 m，井下标高+365～+417 m。工作面煤层平均厚度为22.4 m，巷道直接顶为3～5 m 的粉砂岩；基本顶为17～20 m 的细砂岩；直接底为0.8～1.3 m 的炭质泥岩；基本底为8～11 m 的泥岩。巷道设计全长2 235 m，掘进方位角为270°，采用综合机械化放顶煤开采。

2 巷道松动圈及支护参数理论分析

2.1 巷道松动圈范围分析

为了得到合理巷道支护参数，需对巷道松动圈范围展开计算分析。根据极限平衡拱理论圆形巷道松动圈计算方法可得松动圈范围Ly为

式中：2b 为矩形巷道高度，m。

根据当量半径计算式，可得巷道当量半径为

式中：S 为巷道净断面积，m2；kx为巷道断面修正系数，取1.2。

由于本文研究背景为矩形巷道，故需对巷道为矩形时松动圈范围进行分析。依据等效圆法可得巷道等效半径ry为

式中：2a 为矩形巷道宽度，m。

根据小庄矿井地质资料，巷道最大埋深为743 m，煤岩层平均容重为14 KN/m3，巷道围岩内聚力为6.62 MPa，巷道围岩内摩擦角为36.15°，未支护时巷道围岩支护力取0，煤岩体力学修正系数取0.4，巷道掘进宽度为6 m，巷道掘进高度为3.8 m。将以上参数代入式（3）可得，Ly为0.56 m。

巷道在采动影响下，松动圈范围将有所增加。根据回采巷道围岩变形规律，顶板松动圈范围增加量大于两帮极限平衡区围岩松动圈范围增加量。通过对小庄矿井以往松动圈资料分析得到顶板与两帮极限平衡区范围安全系数分别取2.5 和2。因此，巷道顶板和两帮最大松动圈范围分别为1.4 m 和1.12 m。

2.2 巷道支护参数分析

通过对巷道松动圈范围分析，已知巷道最大松动圈范围值。根据巷道松动圈范围需分别对巷道顶板及两帮锚杆（索）参数开展理论计算，通过计算结果得到巷道支护参数。

（1） 巷道锚杆长度计算

根据巷道锚杆计算公式，故可得巷道顶板及两帮锚杆长度Lg为

式中：Ls1为锚索锚固长度，m；Ly为巷道松动圈最大范围，m；Ls3为锚索外露长度，取0.3 m。

（3） 巷道锚杆直径计算

锚杆直径决定了锚杆最大支护力，计算锚杆直径时，按照最大承载能力设定每根锚杆所维护的面积Sd。在Sd确定的情况下，需要支护加固的最大载荷密度q 的计算公式为

（4） 巷道锚索直径计算

同理，在巷道支护时需确定锚索直径，合理的直径能够有效提高巷道的稳定性。锚索直径Ds 计算式为

式中：Q 为设计锚固力，本矿设计值为582 kN；σs为钢绞线抗拉强度，1 860 MPa。

（5） 锚杆间排距计算

巷道支护过程中不仅需要确定锚杆的长度和密度，同时需得到合理的间排距。当以上参数均为最优解时，巷道整体支护强度将达到最大。锚杆间排距dg计算式为

式中：qg为巷道松动圈载荷，MPa。

（6） 锚索间排距计算

在巷道支护过程中锚索主要作用是将巷道松动圈岩体形成悬吊作用，科学合理的间排距能够确保巷道松动圈的稳定性。锚索间排距可根据锚固数量间接获得，其计算式为

将相关参数分别代入式（6）～（11）可得小庄矿井40207 工作面掘进胶运顺槽支护参数为：

锚杆：顶板采用Φ22×2 500 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服强度≥500 MPa，间排距为700×800 mm，矩形布置。帮部采用Φ22×2 500 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服强度≥500 MPa，间排距为800×800 mm，矩形布置。

锚索：顶部锚索采用Φ28.6×7 100 mm 高强度低松弛预应力钢绞线，间排距为1 400×1 600 mm，每排4 根，具体支护参数如图1 所示。

3 现场应用分析及防治措施

3.1 现场应用分析

将上述理论计算巷道支护参数应用于小庄矿井40207 工作面胶运顺槽，对胶运顺槽围岩变形量监测。根据监测结果，对巷道实施具有针对性的支护参数调整。通过现场监测表明，40207 工作面胶运顺槽最大巷道变形量为141 mm，满足现场生产要求，无需补强支护。由此表明，本次对巷道支护参数的研究能够满足工作面正常回采，对提高工作面回采效率具有一定帮助。

3.2 巷道围岩变形防治措施

巷道支护参数的合理性，对围岩变形量的控制起着至关重要的作用。同时，限制巷道的变形量能够一定程度上保证矿井的安全回采。因此，对巷道变形量的防治成为关键，矿井应安排相关人员实时监测巷道锚固完整性、变形量和采取防治措施。首先，安排专业人员在巷道掘出后建立巷道尺寸初读数，并及时进行支护；其次，在工作面回采过程中，对超前区域围岩变形量监测，若出现变形量突增现象应及时进行预防和采取补救措施；最后，对地质条件薄弱区进行针对性支护，加强支护强度，保证工作面安全回采。

4 结论

（1） 根据极限平衡拱理论得到，小庄矿井40207工作面胶运顺槽顶板和两帮最大松动圈范围分别为1.4 m 和1.12 m。

（2） 基于松动圈范围，采用理论计算得到，小庄矿井胶运顺槽支护参数为：顶板采用Φ22×2 500 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服强度≥500 MPa，间排距为700×800 mm，矩形布置。帮部采用Φ22×2 500 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服强度≥500 MPa，间排距为800×800 mm，矩形布置。锚索采用Φ28.6×7 100 mm 高强度低松弛预应力钢绞线，间排距为1 400×1 600 mm，每排4 根。

（3） 通过对40207 工作面胶运顺槽围岩变形量监测发现，巷道最大变形量为141 mm。为了保证工作面安全回采，提出了胶运顺槽变形量的防治措施。