回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

田 華

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦， 山西 太原 030022）

引言

山西某礦開(kāi)采方式為地下開(kāi)采，生產(chǎn)規(guī)模120 萬(wàn)t/年，井田面積為4.8649 km2，開(kāi)采深度為+1175～+990 m 標(biāo)高。5 號(hào)煤層屬厚煤層，采用綜采放頂煤采煤工藝，8 號(hào)煤層根據(jù)煤層賦存特點(diǎn)，煤層厚度3.5 m以下區(qū)域采用綜采一次采全高采煤法，煤層厚度3.5 m以上區(qū)域采用綜采放頂煤采煤法，頂板均采用全部垮落法管理。目前為5 號(hào)煤層和8 號(hào)煤層配采，5 號(hào)煤層在開(kāi)采五一盤區(qū)5102 工作面，8 號(hào)煤層在開(kāi)采八一盤區(qū)8101 工作面。巷道支護(hù)是煤炭開(kāi)采技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在煤礦地質(zhì)條件多變的情況下，巷道的支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)也應(yīng)隨之發(fā)生變化，以適應(yīng)礦井井下生產(chǎn)的需要，保障生產(chǎn)安全[1-4]。如何采用較低的支護(hù)成本達(dá)到較好的支護(hù)效果，保證礦井安全生產(chǎn)，是井下巷道支護(hù)的終極目標(biāo)。

1 回采巷道支護(hù)參數(shù)確定

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，5 號(hào)煤層頂板煤層抗壓強(qiáng)度為12.8～19.8 MPa，平均值15.9 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.71 MPa；8 號(hào)煤頂板炭質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為15.1～19.7 MPa，平均值17.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.15 MPa。8 號(hào)煤頂板砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為21.1～34.2 MPa，平均值28.7 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.73 MPa。8 號(hào)煤頂板煤層抗壓強(qiáng)度為5.7～13.8 MPa，平均值8.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.87 MPa。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014），巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，5 號(hào)煤和8 號(hào)煤頂板圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，為較堅(jiān)硬巖，巖體較完整。設(shè)計(jì)頂板巖石普氏系數(shù)，5 號(hào)煤頂板及兩幫取1.98，8 號(hào)煤頂板取1.97，兩幫取1.38；圍巖級(jí)別按Ⅲ級(jí)設(shè)計(jì)。

1.1 巷道支護(hù)形式

五一盤區(qū)工作面運(yùn)輸順槽沿5 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，采用矩形斷面；五一盤區(qū)工作面回風(fēng)順槽沿5 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，采用矩形斷面；五一盤區(qū)工作面開(kāi)切眼沿5 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，采用矩形斷面。五一盤區(qū)工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)寬為4.6 m、高為3.0 m，掘進(jìn)斷面積為13.8 m2。五一盤區(qū)工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)寬為4.5 m、高為3.0 m，掘進(jìn)斷面積為13.5 m2。五一盤區(qū)工作面開(kāi)切眼掘進(jìn)寬為7.6 m、高為2.8 m，掘進(jìn)斷面積為21.28 m2。

采用工程類比法[5-8]確定五一盤區(qū)工作面回采巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。具體支護(hù)參數(shù)為：

1）錨桿規(guī)格：頂錨桿均選用Φ20 mm×2400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿；運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽、開(kāi)切眼非回采面?zhèn)葞湾^桿均選用Φ18 mm×2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，開(kāi)切眼回采面?zhèn)葞湾^桿選用Φ18 mm×2000 mm 樹(shù)脂錨桿；順槽和開(kāi)切眼均采用端頭錨固，錨固長(zhǎng)度600 mm；錨桿扭矩力150 N·m，外露長(zhǎng)度50 mm。

2）頂錨桿間排距：排列方式為矩形排列，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽間、排距均為1000 mm；開(kāi)切眼間距為800 mm，排距為900 mm；運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽每排均布置5 根頂錨桿，與錨索在一起時(shí)布置3 根錨桿，開(kāi)切眼每排均布置10 根頂錨桿；頂錨桿錨固力為70 kN，螺母擰緊力矩為150 N·m。

3）幫錨桿間排距：錨桿排列方式為矩形排列，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽間、排距為1000 mm；開(kāi)切眼間距為1000 mm，排距為900 mm；每排布置6 根螺紋鋼幫錨桿，幫錨桿錨固力為60 kN，螺母擰緊力矩為120 N·m。五一盤區(qū)工作面回采巷道頂錨桿和幫錨桿均采用1 卷MSCK2360 型超快樹(shù)脂錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度為600 mm。

五一盤區(qū)工作面回采巷道頂錨桿和幫錨桿均采用150 mm×150 mm×10 mm 的鋼托盤。錨索均采用Φ17.8 mm 鋼絞線，長(zhǎng)度為9300 mm，間距均為2000 mm；運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽排距為3000 mm，開(kāi)切眼排距為2700 mm。錨索預(yù)拉力150 kN。每根錨索采用2卷MSCK2335 型超快樹(shù)脂錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度為700 mm。每根錨索采用300 mm×300 mm×10 mm 的鋼托盤。開(kāi)切眼每排錨索采用2 根11 號(hào)礦用工字鋼作為托梁（一根長(zhǎng)3.5 m，另一根長(zhǎng)3.0 m）。

五一盤區(qū)工作面頂板均采用Φ4.5 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm 菱形網(wǎng)格，網(wǎng)片規(guī)格1100 mm×2800 mm，網(wǎng)與網(wǎng)采用搭接方式；運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽兩幫均采用Φ4.5 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm 菱形網(wǎng)格，網(wǎng)片規(guī)格1100 mm×2800 mm，網(wǎng)與網(wǎng)采用搭接方式；開(kāi)切眼非回采面?zhèn)葞筒捎忙?.5 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm 菱形網(wǎng)格，網(wǎng)片規(guī)格1100 mm×2800 mm；開(kāi)切眼回采面?zhèn)葞筒捎貌蝗夹运芰暇W(wǎng)。巷道的支護(hù)斷面如圖1 所示。

圖1 回采巷道支護(hù)斷面示意圖(單位：mm)

2.2 支護(hù)參數(shù)校驗(yàn)

2.2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)校核

頂錨桿通過(guò)懸吊作用，幫錨桿通過(guò)加固幫體作用，達(dá)到支護(hù)效果的條件，應(yīng)滿足[9-10]：

式中：L 為錨桿的總長(zhǎng)度，m；L1為錨桿外露長(zhǎng)，mm，L1≥托盤厚度+螺母厚度，頂錨桿和幫錨桿均取50 mm；L2為錨桿有效長(zhǎng)度，mm，頂板取圍巖松動(dòng)圈冒落高度b，幫部取幫破碎深度c；L3為錨入煤（巖）層內(nèi)的深度，頂、幫錨桿均取300 mm。

經(jīng)計(jì)算得，五一盤區(qū)工作面運(yùn)輸順槽頂部圍巖松動(dòng)圈冒落高度b 為1523 mm；五一盤區(qū)工作面回風(fēng)順槽頂部圍巖松動(dòng)圈冒落高度b 為1497 mm；五一盤區(qū)工作面開(kāi)切眼頂部圍巖松動(dòng)圈冒落高度b 為1296 mm。五一盤區(qū)工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽幫破碎深度c 為715 mm；五一盤區(qū)工作面開(kāi)切眼幫破碎深度c為667 mm。

則五一盤區(qū)工作面運(yùn)輸順槽頂部錨桿長(zhǎng)度L ≥50+1523+300=1873 mm，幫 錨 桿 長(zhǎng) 度L ≥50+715+300=1065 mm。五一盤區(qū)工作面回風(fēng)順槽頂部錨桿長(zhǎng)度L≥50+1497+300=1847 mm，幫錨桿長(zhǎng)度L≥50+715+300=1065 mm。五一盤區(qū)工作面開(kāi)切眼頂部錨桿長(zhǎng)度L≥50+1296+300=1646 mm，幫錨桿長(zhǎng)度L≥50+667+300=1017 mm。

根據(jù)山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院編制的頂板巖石檢測(cè)報(bào)告結(jié)果，5 號(hào)煤層頂板煤層天然抗壓強(qiáng)度為19.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.81 MPa，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。根據(jù)《煤礦巷道斷面和交岔點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范》，矩形斷面回采巷道，圍巖為Ⅲ類，凈寬為3.0 m＜B≤4.0 m 之間，頂錨桿長(zhǎng)度不小于2000 mm，側(cè)幫錨桿長(zhǎng)度不小于1800 mm；凈寬為4.0 m＜B≤5.0 m 之間，頂錨桿長(zhǎng)度不小于2200 mm，側(cè)幫錨桿長(zhǎng)度不小于2000 mm。設(shè)計(jì)的五一盤區(qū)工作面運(yùn)輸順槽頂錨桿長(zhǎng)度為2400 mm＞2200 mm，幫錨桿長(zhǎng)度為2000 mm；五一盤區(qū)工作面回風(fēng)順槽頂錨桿長(zhǎng)度為2400 mm＞2200 mm，幫錨桿長(zhǎng)度為2000 mm；五一盤區(qū)工作面開(kāi)切眼頂錨桿長(zhǎng)度為2400 mm＞2000 mm，幫錨桿長(zhǎng)度為2000 mm＞1800 mm。切眼空頂距過(guò)大，巷道中間增加了單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)，減小頂部壓力。因此設(shè)計(jì)的五一盤區(qū)工作面順槽、切眼錨桿規(guī)格是合理的。

2.2.2 錨索支護(hù)參數(shù)校核

錨索長(zhǎng)度應(yīng)滿足公式[11-12]：

式中：l 為錨索的總長(zhǎng)度，mm；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層中的錨固長(zhǎng)度，mm，這里取1655.4 mm；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，mm，取五一盤區(qū)最不穩(wěn)定巖層厚度6000 mm；Lc為托盤及錨距的厚度，取70 mm；Ld為外露張拉長(zhǎng)度，取200 mm。

經(jīng)核算，錨索長(zhǎng)度l=9300 mm＞7920 mm，因此本次設(shè)計(jì)五一盤區(qū)工作面選用的錨索長(zhǎng)度是合理的。

2.2.3 錨網(wǎng)參數(shù)校核

一般在錨噴巷道使用大網(wǎng)孔鋼筋焊接網(wǎng)，在非噴漿巷道使用小網(wǎng)孔塑料網(wǎng)或鐵絲（鉛絲）編制金屬網(wǎng)。按照網(wǎng)孔形狀不同可分為經(jīng)緯網(wǎng)和菱形網(wǎng)。經(jīng)緯網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸一般為（20 mm×20 mm）～（60 mm×60 mm），而菱形網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為（30 mm×30 mm）～（100 mm×100 mm）。表1 為菱形網(wǎng)與經(jīng)緯網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較。

表1 菱形金屬網(wǎng)與經(jīng)緯金屬網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

我國(guó)煤礦現(xiàn)用的菱形金屬網(wǎng)，在確保施工質(zhì)量的情況下，金屬網(wǎng)對(duì)圍巖的最大作用力可達(dá)0.01 MPa。錨網(wǎng)支護(hù)中對(duì)網(wǎng)的要求是：網(wǎng)體整體強(qiáng)度高，剛度大，在巷道圍巖變形初始階段就能對(duì)圍巖提供護(hù)表力；加工方便，成本低廉；便于運(yùn)輸，可以折疊或卷捆；具有一定的可彎曲性，以便能與巷道輪廓相吻合。根據(jù)礦方實(shí)際情況，在本次設(shè)計(jì)五一盤區(qū)工作面回采巷道中采用Φ4.5 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片規(guī)格1100 mm×2800 mm，網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm；網(wǎng)片搭接100 mm，搭接處每隔100 mm 用18 號(hào)鐵絲雙股綁扎。

3 工作面過(guò)構(gòu)造帶時(shí)回采巷道支護(hù)方案

根據(jù)礦井生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告，本井田內(nèi)存在斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造的存在將導(dǎo)致回采巷道圍巖穩(wěn)定性發(fā)生變化。因此，當(dāng)工作面回采巷道過(guò)構(gòu)造帶時(shí)需調(diào)整巷道支護(hù)方案，本次設(shè)計(jì)具體描述如下。

當(dāng)回采巷道遇地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，頂板破碎不嚴(yán)重時(shí)，可采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)。頂錨桿均選用Φ20 mm×2400 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿；側(cè)幫錨桿均選用Φ18 mm×2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿；均采用端頭錨固；錨桿扭矩力不小于150 N·m，外露長(zhǎng)度10～40 mm。頂錨桿排列方式為矩形排列，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽間、排距均為800 mm；運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽每排均布置6 根頂錨桿。幫錨桿排列方式為矩形排列，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽間距為1000 mm、排距為800 mm；每排布置6 根螺紋鋼幫錨桿。錨索均采用Φ17.8 mm 鋼絞線，長(zhǎng)度為9300 mm，間距為2000 mm、排距為2.4 mm。

當(dāng)回采巷道遇地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，頂板破碎嚴(yán)重時(shí)，可采用鋼棚支護(hù)。采用11 號(hào)梯形工字鋼棚鋼性支護(hù)。運(yùn)輸順槽梯形工字鋼棚規(guī)格為梁4.9 m×腿3.09 m，采用11 號(hào)礦用工字鋼加工制作，梯形工字鋼棚支護(hù)棚距為500 mm?；仫L(fēng)順槽梯形工字鋼棚規(guī)格為梁4.8 m×腿3.09 m，采用11 號(hào)礦用工字鋼加工制作，梯形工字鋼棚支護(hù)棚距為700 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查、實(shí)驗(yàn)室?guī)r樣力學(xué)參數(shù)測(cè)定和理論分析，結(jié)合工程類比法確定了山西某礦煤業(yè)回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案。采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方式，并對(duì)確定的巷道錨桿錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了校驗(yàn)。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)不是一次完成，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，安全的巷道錨固支護(hù)設(shè)計(jì)，要充分利用每個(gè)過(guò)程中提供的信息，即巷道圍巖情況調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，井下日常檢查與專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，信息反饋和修正設(shè)計(jì)。礦井地質(zhì)條件是千變?nèi)f化的，應(yīng)特別注意到當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件的變化時(shí)，需及時(shí)調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，重視錨桿、錨索的支護(hù)質(zhì)量與受力監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。