大恒矿胶带巷巷道支护的设计与应用

郭 亮

（山西春成煤矿勘察设计有限公司，山西 太原 030010）

1 大恒矿概述

山西朔州平鲁区龙矿大恒煤业有限公司位于朔州市平鲁区陶村乡铁佐沟村和白土窑村一带，行政区划属平鲁区陶村乡管辖。井田面积为6.909 6 km2。批准开采4～11 号煤层，矿井设计生产能力为180万t/年，核定能力300 万t/年。

下组煤西翼胶带巷，巷道标高1 064.2～984.0 m，倾角0°～6°，平均倾角3°。胶带巷掘进过程中先后穿过8、9-1、9-2三层煤，之后沿9-2号煤层顶板施工，8 号煤层厚1.2 m，9-1号煤层厚6.50 m，9-2号煤层厚5.30 m。煤层直接顶为粉砂岩，浅灰、深灰色，粉砂粒状结构，薄层状，水平层理，富含炭化植物叶片化石，局部含黄铁矿结核呈团块状分布，参差状断口。抗压强度31.2 MPa，平均厚度2.45 m。煤层直接底为泥岩，灰色，泥质结构，薄层状，水平层理。含植物根茎叶类化石，局部岩心破碎，平坦状、次棱角状断口。岩石半坚硬。抗压强度14.8 MPa，平均厚度2.53 m。

2 9 号煤层矿山压力计算

9 号煤层西翼胶带巷埋深为190 m。由上文可知9-2煤层厚度平均为5.30 m，胶带巷沿9-2煤层顶板掘进，设计断面为矩形，宽w=4.5 m，高h=3 m，属于煤巷。9-2煤层的普氏系数fb取1.2，岩层的似内摩擦角θb=tan-1fb=50.2°。

1）巷道最大片帮深度c：

将数值代入公式计算得巷道最大片帮深度c=1.09 m。

2）巷道顶板不稳定岩层高度的计算按照自然平衡拱高度hg计算：

式中：hg为巷道顶板自然平衡拱高度，m；a 为巷道掘进宽度w 的一半，取2.25 m；fd为顶板普氏系数，取2.4。将数值代入公式计算得顶板自然平衡拱高度hg=1.39 m。

3）巷道顶部压力Qd：

式中：Qd为巷道顶部压力，kN/m；γd为顶板岩石容重，取26 kN/m3。将数值代入公式计算得巷道顶部压力Qd=161.14 kN/m。

4）巷帮侧向压力Qc：

式中：Qc为巷帮侧向压力，kN/m；γb为巷帮煤体的加权容重，取18.8 kN/m3；b 为顶板自然平衡拱高度，取1.39 m；θb为岩层的似内摩擦角，取50.2°。代入数值计算得巷帮侧向压力Qc=25.29 kN/m。

根据以上计算分析得出：因受层理裂隙影响，顶板浅部岩层容易出现裂隙扩张或剪切滑移，甚至断裂等不利现象的发生。由于巷道两帮岩性介于裂隙体与破碎体之间，容易导致出现片帮、垮帮现象。巷道两帮发生片帮、垮帮等现象，会削弱巷道两帮对顶板的支撑作用，使巷道有效跨度增大、顶板岩层变形加剧，最终形成顶、帮相互影响的恶性循环过程。

3 巷道支护设计

3.1 顶板支护设计

根据胶带巷顶板岩性特征，采用挤压加固理论、组合梁理论和悬吊理论三者相结合的方式对巷道顶板进行支护设计。即利用锚杆支护的特点，将顶板中潜在的拱形载荷体悬吊于深部岩层结构中，使顶板形成锚固梁、组合梁。

3.1.1 锚杆间排距

锚杆悬吊岩石载荷，即为锚杆的锚固力的大小决定顶锚杆的间排距。锚杆悬吊岩石载荷G：

式中：e 为锚杆间距，m；y 为锚杆排距，m；G 为锚杆悬吊岩石载荷。取间排距相等，即e=y，由上文知Qd=161.14 kN/m，计算得G=18.96e2。考虑安全系数情况，即锚杆的锚固力表达式为Q=18.96ke2。取k=2，Q=70 kN，计算得e=1.36 m。即当巷道顶锚杆间、排距不大于1.36 m 时，锚杆安全系数大于2。

3.1.2 锚杆长度

式中：l 为锚杆长度；l1为锚固长度，l1≥0.3 m；l2为锚杆有效长度，m，锚杆有效长度按自然平衡拱高度1.39 m 确定；l3为锚杆外露长度，取0.1 m；则顶锚杆长度不宜小于1.79 m。顶锚杆长度取2.0 m。

3.1.3 锚索长度

锚索的长度由锚索的锚固端长度，锚索外露长度及巷道潜在冒落高度决定。取锚索锚固端长度1.2m，外露长度0.3 m，潜在的冒落高度为巷道宽度，即为4.5 m，则顶锚索长度不宜小于6.0 m。

3.2 两帮支护设计

3.2.1 锚杆间排距

根据胶带巷两帮岩性特征，采用挤压加固、整体锚固方式进行设计。即通过锚、网支护使两帮中形成具有一定承载能力的挤压加固墙。

帮锚杆间排距的计算与顶锚杆类似，锚杆间排距及数量根据每根帮锚杆抵抗的侧压载荷大小确定。

式中：e0为帮锚杆间距，m；y0为帮锚杆排距，m；G0为帮锚杆测向压力载荷。取帮锚杆间排距相等，即e0=y0，由上文知Qc=25.29 kN/m，计算得G0=8.43e02。考虑安全系数情况，即锚杆的锚固力表达式为：Q0=8.43k0e02。取k0=2，Q0=70 kN，计算得e0=2.04 m。即当巷道顶锚杆间、排距不大于2.04 时，锚杆安全系数大于2。

3.2.2 锚杆长度

与顶锚杆计算方式一样，帮锚杆有效长度按最大片帮深度确定为1.09 m，则帮锚杆长度不宜小于1.49 m，巷帮锚杆长度取2.0 m。设计见图1。

图1 9 号煤层西翼胶带巷支护断面图（单位：mm）

4 现场应用情况

对胶带巷成巷巷道进行围岩观测和锚杆（索）预应力观测。巷道每隔50 m 在巷道开口段、巷道交叉段和首尾段及构造区域打设一个顶板离层仪和一组锚杆（索）测力仪。每隔100 m 布置一个围岩观测站，采用“十”字布点观测法。距掘进工作面50 m 范围内，每班观测1 次；50 m 范围外，每周观测1 次。对观测数据进行对比分析，巷道变形量及锚杆（索）测力仪数值在预期值以内，满足设计要求。

5 结论

1）顶板支护宜采用挤压加固理论、组合梁理论和悬吊理论相结合的方式进行。即通过锚杆支护使顶板形成组合梁，并通过锚杆确保能将顶板自然平衡拱载荷体悬吊于深部岩层结构中。顶板泥岩易于风化，须安设金属网，以提高锚杆的整体性和支护能力。

2）两帮锚杆支护宜采用挤压加固方式。即通过锚杆使两帮中形成具有一定承载能力的挤压加固墙，从而减小两帮位移，增强锚固体对浅部岩体的约束作用。

3）顶锚杆的锚固力不小于70 kN，帮锚杆的锚固力不小于70 kN。

4）顶锚杆长度不宜小于1.79 m，取2 m；帮锚杆长度不宜小于1.49 m，取2 m；顶锚索长度不宜小于6.0 m，取6.3 m。

5）结合锚杆挤压加固理论、组合梁理论，并考虑巷道断面尺寸和可能布置的锚杆根数综合确定。顶锚杆的间排距不宜大于1.36 m，帮锚杆的间排距不宜大于2.04 m，锚杆排距取1 m，顶锚杆间距取0.8 m，帮锚杆间距取1.2 m。

6）顶板采用锚索补强，在巷中打设1 根锚索，排距2 400 mm。

7）局部破碎较严重，特别是地质变化带，要增加锚杆、锚索根数，同时加长锚索长度。