膠帶巷延伸掘進支護方案應用研究

昝文東

(山西汾西宜興煤業(yè)有限責任公司,山西 孝義 032303)

1 工程概況

宜興煤業(yè)主采2號煤層，煤層平均厚度為1.74 m，煤層屬于近水平煤層，煤層埋深200 m左右，煤層直接頂、基本頂巖性分別為泥巖、粉砂巖，厚度分別為1.05 m和1.75 m，直接底為4.55 m的細粒砂巖。煤層特征情況如表1所示。

表1 煤層特征情況

一采工作面地面西部為原孟南莊煤礦工業(yè)廣場，西南部為孟南莊村，東部為龐莊村。一采工作面需要沿原一采區(qū)回風巷向南延伸，西部為孟南莊小窯破壞區(qū)，東部為一采膠帶巷，北為1205工作面采空區(qū)。

延伸一采膠帶巷的水文地質(zhì)情況如下：本次所掘巷道煤層為二疊系2號下煤層，上距山西組K8砂巖裂隙含水層35 m左右，為巷道掘進的直接充水水源，2號下煤層頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等，屬中等堅硬巖石。一采膠帶巷掘進區(qū)域為實體煤，既無本礦采空區(qū)，也無小窯破壞區(qū)，采空區(qū)積水不影響巷道正常掘進。

一采膠帶巷的延伸主要用于東部工作面回采時的回風。一采膠帶巷延伸開口以坐標(X：4 094 732.584；Y：19 558 830.735)180°方位按8°上山開口施工，預計施工85.4 m后見2號下煤層，屆時沿2號下煤頂板掘進106.5 m，(施工過程中若提前遇見2號下煤層，且煤層傾角小于9°時則按2號下煤層頂板施工)，巷道共計施工191.9 m到位。巷道終點坐標為X：4 094 924.484；Y：19 558 830.735。

2 一采膠帶延伸巷錨桿索支護計算

2.1 錨桿支護計算

錨桿直徑的計算主要依據(jù)以下公式，其中計算方式主要與錨桿抗拉強度和錨固力有關(guān)[1-2]：

式中：d為錨桿的直徑，mm；F為錨桿在圍巖深部的錨固力，頂錨桿為190 kN，幫錨桿為150 kN；t為錨桿的抗拉強度，取670 N/mm2。

首先，計算頂板錨桿，由上式可以得到：

其次計算幫錨桿同樣可以得到D=16.9 mm。

結(jié)合現(xiàn)場施工情況及預留安全范圍等因素，一采膠帶延伸巷道頂板的錨桿直徑被確定為22 mm，幫部的錨桿直徑被確定為20 mm。

同時結(jié)合此礦初步設(shè)計的支護策略，并且通過鉆孔窺視粗略測了圍巖破壞范圍，結(jié)果表明圍巖的破壞范圍在0.5～1.3 m內(nèi)，依據(jù)圍巖的破壞范圍和主動支護需要錨固在穩(wěn)定巖層，頂板和幫部錨桿的長度分別被確定為2.4 m和2.2 m。

結(jié)合此礦其他巷道的支護方案，從單位面積支護強度和支護密度來看，頂板錨桿的間距被確定為0.92 m，幫部錨桿的間距被確定0.8 m，頂板錨桿和幫部錨桿的排距均被確定為1 m。

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2.2 錨索支護驗算

錨索的設(shè)計長度與巷道頂板巖體性質(zhì)及巷道斷面規(guī)格等有關(guān)。可以通過下面公式確定錨索長度：

La=La1+La2+La3

式中：La為錨索長度，m；La1為錨索端部漏出長度，取0.3 m；La2為錨索的實際有效長度，取2.7 m；La3為錨索在深部巖體的錨固長度，取2.4 m。

一般支護理論認為錨索支護不僅要錨固在穩(wěn)定巖層中，而且要考慮穩(wěn)定堅硬巖層厚度和巷道高度的關(guān)系，當堅硬巖層厚度大于3倍巷道高度時，錨索長度的確定視堅硬巖層的位置確定[3-4]，錨索在深部巖體的錨固長度被確定是2.4 m，錨索的有效長度用以下公式表示：

式中：hi為煤層頂板至穩(wěn)定巖層的每層厚度，m；i為煤層頂板至穩(wěn)定巖層層數(shù)。

基于錨索需要錨固在深部堅硬穩(wěn)定的巖層中，結(jié)合一采膠帶巷頂板巖性情況，煤層頂板到深部穩(wěn)定巖層的厚度約2.7 m，所以La2取2.7 m。代入數(shù)據(jù)可得：

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

因此綜合考慮錨索長度被確定為5.5 m。錨索布置間排距結(jié)合巷道服務年限和以前巷道布置方案分別取1.2 m和2 m。

3 一采膠帶延伸巷聯(lián)合支護形式及參數(shù)

一采膠帶延伸巷道整體采取錨桿、鋼筋網(wǎng)、錨索、鋼帶和噴漿聯(lián)合支護如下：

1) 錨桿、錨索支護：頂板采用型號為D22-M24-2 400的高強度螺紋鋼錨桿，配用150 mm×150 mm×10 mm的可調(diào)心拱型高強度托盤(配有調(diào)心球墊和塑料減摩墊片)，錨桿配套1支MSK2355藥卷和1支MSZ2355藥卷(快速藥卷在上部，中速藥卷在下部)，頂板錨桿間排距為920 mm×1 000 mm。

2) 巷道兩幫采用D20—M22-2 200的高強度螺紋鋼錨桿，配用150 mm×150 mm×10 mm的可調(diào)心拱型高強度托盤(配有調(diào)心球墊和塑料減摩墊片)，每根錨桿配套使用2支MSZ2355錨固劑。錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。幫部錨桿布置距頂0.2 m，距底0.3 m。每排施工8根幫錨桿。

3) 頂板錨索采用D21.8 mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為5 500 mm；加配300 mm×300 mm×14 mm的拱形高強度錨索托盤進行支護。頂板錨索“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。每根錨索配套1支MSK2355的藥卷和2支MSZ2355的藥卷(快速藥卷在上部，中速藥卷在下部)。

4) 巷道兩幫錨索采用D17.8 mm×3 500 mm的鋼絞線，加配200 mm×200 mm×10 mm的平鋼托盤進行支護。幫部錨索每排布置2根，左右?guī)透?根，即第一排錨索布置距頂0.6 m，第二排錨索布置距頂1.5 m，錨索布置在兩排鋼帶中部，以此交叉施工；每根錨索配套2支MSZ2355的藥卷。

5) 巷道全斷面采用鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)采用D6 mm盤條加工而成，規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm。網(wǎng)眼規(guī)格為150 mm×150 mm，鋪網(wǎng)時要求聯(lián)接好，網(wǎng)與網(wǎng)用16號雙股鉛絲扭接緊固不少于3圈，聯(lián)網(wǎng)距不大于200 mm，網(wǎng)片對接。

6) 頂板支護配用D14 mm，L=4 800 mm的圓鋼鋼帶，幫部支護采用長度D14 mm，L=1 800 mm和D14 mm，L=1 000 mm的圓鋼鋼帶搭接一個眼使用。

7) 噴射混凝土強度為C20，噴射厚度為100 mm。

具體支護方案如圖1所示。

4 一采膠帶延伸巷圍巖變形監(jiān)測

在一采膠帶巷掘進過程中，在掘進工作面后0.4 m處布置監(jiān)測斷面，在巷道頂板和兩幫布置監(jiān)測點對圍巖變形量進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 巷道圍巖變形量監(jiān)測數(shù)據(jù)

可以看出，隨著巷道的掘進，監(jiān)測斷面處的圍巖變形量整體趨勢為先增加后不變。變化過程可以分為3個階段，第一個階段是變形速率急劇增加階段，頂板最大變形速率可以達到3.8 mm/d，兩幫變形速率最大2.5 mm/d；第二個階段是變形速率緩慢增加階段，頂板和兩幫的變形速率減小，基本都是0.8 mm/d左右；第三個階段是穩(wěn)定階段，距開挖面50 m左右時，巷道圍巖變形速率基本為0，巷道達到穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語

1) 經(jīng)支護驗算頂錨桿直徑22 mm，幫錨桿直徑20 mm，頂錨桿長度L=2.4 m，幫部錨桿長度L=2.2 m；頂錨桿間距0.92 m，幫錨桿間距0.8 m，頂、幫錨桿排距均為1 m；錨索長度5.5 m；錨索布置間排距分別取1.2 m和2 m。

2) 通過現(xiàn)場巷道圍巖變形監(jiān)測可以得到一采區(qū)膠帶延伸巷能滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)要求。