张 杰

（晋能集团太原有限公司，山西 太原 030000）

巷道支护是一项复杂的系统工程，在煤矿开采技术中占有较大比重，是井下安全生产的重要内容，而大断面煤巷支护是巷道支护中较为困难的一种类型。由于巷道断面积较大，巷道受围岩应力影响相较小断面巷道更为严重，支护难度更高。

三元煤业15号煤采用大断面巷道布置，为做好巷道支护，根据矿井实际地质条件，运用多种理论计算方式，计算出开拓巷道、回采巷道合理的理论支护参数，为后续支护提供建设性意见。

1 工程背景

山西三元福达煤业股份有限公司是晋能集团所属的煤炭生产企业，15号煤层巷道断面达18m2以上，属于大断面巷道支护，主要分为开拓巷道和回采巷道两类。开拓巷道由于巷道服务范围大，服务年限长，拟采用锚＋网＋喷支护方案。回采巷道由于仅服务于相应工作面，服务年限较短，拟采用锚杆加网支护方案。所有巷道均沿顶板掘进布置，保持巷道顶板完整性。

15号煤层开拓巷道和回采巷道断面尺寸见表1。

表1 两类巷道断面尺寸表

2 理论计算

2.1 经验公式计算

（1）锚杆长度

式中：

W—巷道宽带，开拓巷道4.5m，回采巷道4.2m；

N—围岩影响系数（15号煤层围岩为Ⅱ类稳定围岩，取1.0）。

（2）锚杆间距

式中：

M-锚杆的间距，m。

（3）锚杆直径

式中：

d-锚杆直径，m。

利用上式计算锚杆支护参数，计算得出开拓巷道锚杆长度为1.95m，直径17.73mm，间距≤1.0m；回采巷道锚杆总长度为1.90m，直径17.27mm，间距≤1.0m。

2.2 工程类比分析

利用工程类比法，对比工程实践经验，选择最为合理的设计方案。该矿15号煤顶部为平均厚度7.60m的石灰岩，属Ⅰ类稳定顶板，无需进行顶部支护，主要对两帮进行支护，支护参数见表2。

表2 巷道支护工程类比结果表

2.3 极限平衡区理论分析

（1）设计理论依据

① 巷道理论半径的确定

计算巷道理论半径 公式为：

式中：

S-巷道断面积，开拓巷道为18.0m2，回采巷道为18.5 m2；

kx-巷道断面积修正系数，取值1.2。

根据以上公式，得出开拓巷道当量半径为2.87m，理论半径为3.04m；回采巷道当量半径为2.91m，理论半径为3.12m。

② 极限平衡区深入巷道围岩深度的确定

极限平衡区半径R计算公式为：

式中：

γ—上覆岩层体积质量，取值为2.71g/cm3；

H-巷道埋深，m；

Pi-支护阻力，MPa；

K1-采动影响系数，一般为1～3；

K2-岩体力学参数修正系数，一般为1～2.5。

巷道周边位移计算公式为：

式中：

a-巷道理论半径，m；

u-巷道周边位移，m；

E-弹性模量，取26.4GPa；

φ-煤岩内摩擦角，取40°。

极限平衡区深入围岩的深度计算公式为：

对于15号煤层的开拓巷道和回采巷道，其物理力学参数以15号煤层及其顶底板为主，按平均埋深200m考虑，忽略支护阻力对极限平衡的影响。由此所得巷道极限平衡区各项参数计算结果见表3所示。

表3 极限平衡区各项参数计算结果表

（2）巷道围岩锚杆支护参数设计

① 锚杆的长度

式中：

L1-锚杆锚固长度，m；

L2-锚杆外露长度，取0.1m。

实际选用的锚固长度 应为两者中的较大者，并考虑到一定的搅拌不均匀系数，可以得到下式：

式中：

Kj-搅拌不均匀系数，1.2～1.5，此处取值Kj=1.5；

L'1-发生在锚杆表面处锚固长度，mm，计算公式为：

式中：

dj-锚杆直径，mm；τj-粘结剂同锚杆的粘结强度，一般取8MPa；

L''1—发生在钻孔岩壁处的锚固段长度，mm，计算公式为：

式中：

dy-钻孔直径，mm；

τy-粘结剂同钻孔间的粘结强度，一般取5MPa。

② 锚杆直径D与间排距

支护最大载荷密度qd为：

式中：

h-巷道的半高，m。

锚杆直径与锚杆支护范围的面积S（S=H×I间距×排距）及所承受载荷有密切关系，关系式如下：

式中：

D-锚杆直径，mm；

[σ]-杆体承载强度，MPa。

锚杆直径与间排距的关系如下：

计算得锚杆参数为：开拓巷道锚杆长度1.8m，直径16mm，间排距1.0×1.0m，锚固长度不小于0.81m；回采巷道锚杆长度2.0m，直径18mm，间排距0.8×0.8m，锚固长度不小于0.93m。

3 巷道支护参数理论确定

该矿15号煤顶板为平均厚度为7.6m的石灰岩，岩石抗压强度为110MPa，针对其顶板特性，设计15号煤层开拓巷道和回采巷道顶板皆不进行支护，为避免顶板岩石受风化或采动影响发生脱落现象，设计铺设锚网。利用锚杆对锚网进行固定，顶锚杆采用直径16～18mm、长度为1.8m的锚杆，间排距为1.6m×0.8m。

巷帮由于其赋存较为破碎，经过以上多种理论计算方法，并根据计算结果进行分析确定，锚杆长度取值在2.0～2.4m，直径取值在16～20mm，锚杆间排距采用0.8×0.8m和1.0×1.0m两种规格，确定锚固长度不低于0.63m，取一定安全系数，最终取值为0.8m。

根据以上理论参数，结合同类矿井工程经验类比，初步确定的两帮支护参数见表4。

表4 巷道两帮锚杆支护选取表

4 支护效果

部分巷道支护示意图如下图1所示。

图1 运输顺槽支护图

该矿井15号煤层开拓及回采巷道在实际施工中，采用本次支护设计参数进行巷道支护，进行后期监测发现：

（1）开拓巷道顶板下沉量为45mm，两帮移近量为64mm，整体巷道变形量很小，变形速率较为平缓。

（2）回采巷道由于回采的原因，巷道变形较大。经监测，巷道变形最大处位于工作面到工作面前方25m范围内，且这一区域变形较为剧烈，变形速率较快。顶板最大下沉量为164mm，两帮最大移近量为208mm，整体巷道变形在可控范围内，支护效果明显，可以满足巷道服务要求。