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晋北某煤矿皮带东延巷支护优化设计及应用

2024-12-02 61 上传者：管理员

摘要：盘区皮带巷是盘区的运煤通道，巷道支护合理与否直接影响盘区生产。分析了晋北某矿5#煤层和顶底板的岩性及变化情况、地质构造现状，在现场调研的基础上，确定了该矿皮带东延巷道顶板为煤层顶板，巷道支护采用“预应力锚杆+W型钢带+锚索补强”的锚杆锚索联合支护方式。通过理论计算得出了锚杆和锚索的长度、直径、间排距等支护参数。工程实践表明，晋北某矿5#煤层皮带东延巷使用过程中巷道顶帮变形小，支护形式和支护参数合理，满足皮带巷安全生产的要求。

关键词：
巷道支护
支护设计
煤炭赋存
特厚煤层
锚杆-锚索
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在掘进过程中，煤岩体应力会重新分布，造成巷道内部的压力变化，致使巷道稳定性和安全性受到不利影响，对于特厚煤层，巷道围岩破坏更严重[1-2]。故而，对特厚煤层巷道支护结构设计的研究和实践，对于提高巷道支护效果、保障施工、运行和人员安全至关重要[3]。我国煤炭赋存状态多变，对于各类围岩条件，大量学者都有不同的研究成果。有的学者通过理论分析与数值模拟研究了优化支护前后的顶板位移规律，为特厚煤层巷道支护提供了科学依据；有的学者借助数值模拟与工程实践等方式，研究了深部高应力半煤岩巷失稳的主要原因，提出了巷道支护改进方法[4-8]。

由于针对晋北某矿特厚煤层影响下巷道围岩控制技术的研究较少，为解决该矿特厚煤层巷道支护问题，采用理论分析计算确定锚杆、锚索的支护参数并进行工程实践，与本矿同类型巷道支护效果相比较，本文确定的皮带东延巷的支护参数保证了特厚煤层巷道围岩的稳定性，支护效果良好。

1、掘进工作面位置及煤层顶底板情况

1）掘进工作面位置

晋北某矿5#煤层盘区皮带东延巷位于本矿1060水平，掘进工作面地面位置位于华林沟东南部，地面标高1 366～1 375 m，掘进工作面井下标高1 094～1 104 m，西部与原东盘区皮带大巷对应相接，北部、东部均未开拓。盘区皮带东延巷走向长265 m,5#煤层盘曲皮带东延巷平面位置如图1所示。

图1 5#煤层盘曲皮带东延巷平面布置图

2）煤层及顶底板情况

5#煤层总厚度为28.73～36.39 m之间，上部被火成岩顺层侵蚀，其下部正常煤层厚度在11.99～14.36 m之间。本矿盘区皮带东延巷煤层厚度11.99～14.36 m，平均煤厚13.18 m。倾角3°～7°，平均5°，煤质稳定，普氏硬度为4.5，平均密度为14.3 kN/m3。煤层结构复杂，厚度变化稳定，以暗淡型为主，上部为硅化煤，中间夹9～12层夹矸，夹矸为煌斑岩和泥岩。掘进巷道前方地质构造情况简单，预计不会有大的构造出现，煤层顶部有火层岩侵入，受其影响，局部煤层顶部较破碎，需加强支护。

5#煤层顶底板情况如表1所示。5#层盘区皮带东延巷掘进期间采用局部通风机压入式的通风方式。矿井瓦斯绝对涌出量8.65 m3/min，相对涌出量3.86 m3/T。煤层自燃发火期为82 d。煤尘具有爆炸危险性。

表1 5#煤层顶底板情况表

2、盘区皮带东延巷支护设计

2.1 巷道规格和煤岩力学参数

盘区皮带东延巷掘进工作面开掘在5#煤层，煤层平均厚度13.18 m，煤层结构复杂，总体情况如前所述。该矿5#煤层煤的物理力学参数为煤的容重14.3 kN/m3,煤层硬度系数f=4.5，单向抗压强度为18.9 MPa。

皮带东延巷道设计为矩形，掘宽4.5 m，掘高3.5 m。掘进巷直接顶板为煤层顶板。

2.2 支护参数设计理论计算

根据晋北某矿皮带东延巷掘进工作面煤层厚度、巷道掘进高度、宽度、围岩状况进行5#煤层皮带东延巷道顶板锚固支护设计，皮带东延巷选择“预应力锚杆+W钢带+锚索补强”的联合锚固支护方式。

2.2.1 锚杆支护参数

1）锚杆长度的确定

式中：L为锚杆长度,m;L1为锚杆外露长度，一般取30 mm;L2为潜在冒落拱高度，m;L3为锚杆锚入稳定岩层的深度，500 mm。

L2=B/2f,B为巷道开拓宽度，4 500 mm;f为煤岩坚固系数，4.5。

代入公式得出L=1 030 mm，依据本矿及临近矿井设计及支护效果，设计采用L=2 200 mm、ϕ=18 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，满足设计要求。

2）锚杆间距的确定

式中：D为锚杆间排距，m;L为锚杆长度，m;

代入公式得出：D≤1.1 m，在计算数据的基础上结合工程类比法及经验数据确定为1 000 mm。

3）锚杆直径校验

式中：d为锚杆直径，m;Q为锚杆设计锚固力，Q=127 kN；[σ]t为锚杆屈服强度，500 MPa。

经计算：d≥0.018 m，取锚杆直径d=18 mm满足要求。

2.2.2 锚索支护参数

1）锚索长度的确定

式中：L为锚索总长，m;L1为锚固段长度（树脂锚固剂与钢绞线的粘结长度），取1.35 m;L2为自由段长，一般取3.0 m;L3为涨拉端长，m。

式中：k为安全系数，一般取k=2;Nt为锚索设计载荷，不小于355 kN;d为预应力钢绞线直径，为17.8 mm；τa为锚固剂与钢绞线粘结应力，为10 kN/mm2。

代入数据得出L1=1 270 mm，实际锚固长度为1.35 m。

式中：L3′为锚索外露长度，取300 mm;L3″为上托盘及锚具的厚度，取200 m。L3=0.3+0.2=500 mm。

代入公式计算得出L=4.85 m，因此，锚索长度定为4.85 m以上即可满足设计要求，选择5 m。

2）锚索排距的确定

因为锚索排距一般不大于锚索长度的1/2，所以排距小于2.5 m即可。为保证安全，确保支护效果，取锚索排距1 000 mm，满足要求。

3）每排锚索数目的确定

式中：N为每排锚索数目，根；k为安全系数，一般取1.5;P断为锚索的最低破断力，不小于355 kN,W为被吊煤岩的自重，kN。

式中：B为巷道掘进宽度，为4.5 m；∑r为悬吊煤岩平均容重，取14 kN/m3；∑h为悬吊煤岩厚度，取6 m;D为锚索排距，取0.9 m。

代入公式计算得出W=340.2 kN。

计算得：N≈1.44根。通过以上计算：在顶板锚索布置成3-2-3-2的三花眼形式，满足要求。

3、锚杆、锚索支护参数

根据晋北某煤矿现有支护材料和以往同类型巷道支护经验，5#煤层盘区皮带东延巷施工锚索采用ϕ17.8 mm，锚索预紧力≥180 kN，锚固力≥285 kN；锚索长度5 m，锚索按3-2-3-2三花眼布置。顶锚杆钢材屈服强度不低于500 MPa，顶板采用ϕ18 mm、长2 200 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，预紧力≥65 kN，锚固力≥127 kN，锚杆间排距1 000 mm。帮锚杆采用ϕ18 mm、长1 700 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，预紧力≥65 kN，间排距1 000 mm。顶、帮锚杆扭矩≥220 N·m。

W钢带配合锚索使用，钢带采用4 500 mm×280 mm×4 mm的六眼W钢带。巷道顶帮铺设金属网（菱形），均采用14号铁丝联结菱形网，每10 cm联结一道，每道双股丝绕匝三圈。铺网时必须将网铺平拉紧，网与网应采用搭接方式，搭接长度100 mm。

4、皮带东延巷支护监测

1）锚杆锚固力检测：锚杆锚固力检测抽样率为3%，每300根顶、帮锚杆各抽样一组（共9根）进行检查；锚杆锚固力监测记录要与现场标记一致，使用记录牌板显示。顶、帮锚杆预紧力均为220 N·m，顶、帮锚杆预紧力要在65 kN以上。锚索预紧力为180 kN以上。（依据集团公司巷道锚索网支护技术规范）。

2）顶板离层监测：在皮带东延巷每隔50 m安装一台YHW300型围岩位移测定仪（顶板离层仪），顶板离层仪浅部基点安设在锚杆锚固段处，顶板离层仪观测站布置如图2所示。

图2 顶板离层仪观测站布置（单位：mm)

深部基点安设在锚索锚固段以上稳定煤岩层内300～500 mm。掘进工作面顶板离层值超过50 mm时，要停止掘进，采取措施进行处理；离层值大于100mm时，必须立即撤出人员，及时汇报矿总工程师，进行处理。

3）巷道支护效果分析：图3为晋北某矿在工程实践中盘区皮带东延巷与本矿同类型巷道顶底板位移量监测对比结果，通过巷道顶板离层仪观测结果可知，相比本矿同类型巷道支护，采用巷道支护理论分析计算支护参数后，顶板位移量由225 mm降到75 mm，皮带东延巷支护效果大幅提高，保证了巷道安全可靠运行。

图3 工程实践顶底板位移对比

5、结语

晋北某煤矿5#煤层皮带东延巷从投入使用到本盘区回采结束，巷道支护效果良好，与本矿同类型盘区皮带巷相比，巷道维修率降低了10%，材料消耗降低了5%，保证了运煤工作安全顺利进行，在该矿同类巷道使用过程中维护费用最低，充分说明了通过理论分析计算设计的锚杆、锚索支护参数的科学性和合理性，为类似开采条件的盘区皮带巷道支护提供了合理、科学的数据。

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文章来源:黄慧.晋北某煤矿皮带东延巷支护优化设计及应用[J].晋控科学技术,2024,(06):8-11.