基于松动圈测试技术的巷道支护方案设计

基于松动圈测试技术的巷道支护方案设计
张玉波;许慧
【摘要】The surrounding rock stability and anchor bolt length is main basis to assess the size of roadway sur -rounding rock loose circle.On 3306 working face of Shuangliu mine, the test of mining gateway surrounding rock loose circle size has been conducted and the size has been obtained.According to the size of roadway sur-rounding rock loose circle, theory of roadway surrounding rock loose circle support and classification scheme of mining gateway surrounding rock stability in inclined or gentle dip coal seam in china , reasonable roadway supporting method and parameters have been ascertained , which will be an example for other similar roadway support design.%巷道围岩松动圈的大小是评定围岩稳定性和
确定锚杆长度的重要依据，对双柳煤矿3306工作面回采巷道进行围岩松动圈测试，得出了该工作面松动圈范围。

根据松动圈测试结果、巷道围岩松动圈支护理论及我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案，最终确定了合理的巷道支护方式及参数，对类似地质条件下的巷道支护设计具有借鉴意义。

【期刊名称】《华北科技学院学报》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】5页(P52-56)
【关键词】复合煤层;松动圈;巷道支护;围岩稳定性
【作者】张玉波;许慧
【作者单位】国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000; 鄂尔多斯市煤矿设计院，内蒙古鄂尔多斯 017000;国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古
鄂尔多斯 017000; 鄂尔多斯市煤矿设计院，内蒙古鄂尔多斯 017000
【正文语种】中文
【中图分类】TD353+.6
1 工程概况
山西柳林双柳煤矿3306工作面开采煤层为3#、4#复合煤层，工作面标高为470～504m，煤厚2.8m，煤层基本稳定，区内煤层倾角0°～6°，平均4°。

该区内构造简单，在掘进过程中也没有发现对回采有影响的断层及陷落柱。

在切割巷中部掘进过程中，揭露三条落差0.02～0.15m的小断层，延伸到工作面内有可能影
响生产。

工作面设计走向长度1150m，倾斜长195m。

2 巷道松动圈测试
由于回采巷道开挖后，巷道周边一定范围的煤体就会发生变形破坏，此范围的应力会有所降低，应力得到释放，围岩将破碎产生裂隙从而形成松动圈［1，2］，而
巷道围岩的松动圈的大小是确定支护强度的重要依据，尤其是确定锚杆长度的主要依据，同时也是对巷道围岩稳定性进行评价的重要依据。

为了更好的进行支护设计，对3306工作面回采巷道进行了围岩松动圈测试。

图1 3306工作面布置示意图
2.1 测试仪器选择
本次围岩松动圈测试采用武汉中岩科技有限公司RSM－SY5(T)非金属声波检测仪(图2)。

本仪器应用于煤体测试，通过对被测煤体声波参数的测试，可以对煤体内
部结构进行分析，判断煤体内部破坏情况。

巷道松动圈测试采用一发一收的单孔测
试传感器，发射与接收装置之间的距离为200 mm。

图2 RSM－SY5(T)非金属声波检测仪
2.2 测点布置
本次松动圈测试在巷道下帮的腰线位置共布置5个测站，由于煤帮相对岩巷比较软，测量钻孔采用煤电钻打孔。

钻孔方位基本与巷道垂直，钻头直径42 mm，孔深在3.5m～4m之间。

测站位置布置见图3，测孔的具体情况见表1。

图3 测站布置示意图
表1 3306工作面测孔布置参数序号测站位置(距离回采面m)钻孔深度(m)钻孔在
水平方向的偏角(°)钻孔直径(mm)1 13 4 －5 45 2 31 3.5 －5 45 3 51 4 －5 45 4 68 4 －5 45 5 85 3.9 －5 45
2.3 松动圈测试结果及分析
煤体的波速按下式计算:
式中:V——声波在煤体中传播速度，m/s;
L——探头接收传感器之间的距离，0.2m;
T——探头接收传感器声波的走时，S。

煤体声波测试结果见图4。

从声波测试结果可以看出，从孔口到孔底煤体中波速有增大的趋势，在靠近孔底处声速变化趋于平缓。

孔口和孔底部分位置没有测到读数，可能是由于裂隙比较发育，水渗漏或水没有流到孔底，没有起到耦合作用所致。

根据超声波测试原理［3］判断，五个钻孔测试的松动圈界限分别在1.6m、1.4m、1.6m、1.2m、1.2m 左右，平均松动圈范围1.4m。

3 复合煤层巷道支护方案设计
3.1 两帮锚杆支护参数设计
3.1.1 锚杆长度的确定
根据对煤层巷道现场松动圈测试结果及围岩松动圈的分类［4］，回采巷道松动圈属于中松动圈，松动圈支护理论经过大量工程实践证明，在中松动圈条件下，可用锚杆将松动范围岩层悬吊在松动圈以外的围岩中，起到有效的支护作用，因此其锚杆长度可按下式确定:
图4 煤体声波速度对比图
式中 L——锚杆长度，mm;
L1——锚杆的外露长度，取常数100 mm;
Lp——考虑受动压影响的松动圈折算值，mm;
L2——锚杆锚入弹塑性区的深度，取300 mm。

式中 Lp——考虑受动压影响的松动圈折算值，mm;
k——采动巷道松动圈折算系数，取0.82;
Lpd——实测采动松动圈大小，取实测值的均值1400 mm。

故锚杆长度L=L1+Lp+L2=100+1148+300=1548 mm，锚杆长度取值为1600 mm。

3.1.2 锚杆间排距的确定
采用等距离布置，每根锚杆所负担的岩体重量为其所承受的载荷，可按φ16玻璃钢锚杆计算:
式中 Q——单根锚杆负担岩石重量，1510kg;
γ——岩体的容重，1388kg/m3;
Lp——考虑受动压影响的松动圈折算值，1148 mm;
考虑煤层的强度较低，两帮锚杆间排距取0.8m。

3.2 顶板锚杆支护参数设计
根据《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》［5］，3、4#复合煤层巷道围岩稳定性类别为Ⅲ类中等稳定，3、4#复合煤层巷道顶板锚杆支护宜采用悬吊理论的设计思路［6］。

3.2.1 锚杆长度的确定
式中 l——锚杆的总长度，m;
l1——伸入老顶的长度，取30cm;
l2——锚固层厚度，根据3、4#复合煤层顶板情况，l2取直接顶厚度1.6m。

l3——锚杆外露长度，取10cm;
3.2.2 锚杆支护载荷大小的确定
直接顶通过锚杆悬吊于老顶之上，锚杆承载大小依据直接顶计算:
式中:Q——锚杆支护载荷，t;
h——直接顶厚度，1.6m;
γ——直接顶平均重力密度，2.586t/m3。

3.2.3 锚杆间排距确定
按φ18MnSiⅡ螺纹钢锚杆(杆尾强化热处理)计算，顶板锚杆布置密度为:
式中 n——单位面积(每平方米)顶板需布置锚杆根数;
K——安全系数，较稳定顶板K取1.7;
Q——锚杆支护载荷，t;
通常情况下间排距相等，顶板锚杆间、排距均取1m。

3.3 煤层巷道支护方案设计
根据《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》及顶板、两帮锚杆参数设计，考虑巷道锚杆基本支护形式以及巷道具体施工条件，设计煤层巷道支护方案。

1)材、运两巷顶板采用金属网+钢筋托梁+螺纹锚杆进行联合支护，两帮采用金属网+木托板+玻璃钢锚杆进行护帮。

2)巷道顶板采用φ18 mm，L2000 mm螺纹钢锚杆支护，配套使用Z2355型树脂锚固剂(快速药卷在上部，中速药卷在下部)。

顶部锚杆呈矩形布置，除两根边角锚杆呈75°向帮内倾斜外，其余均垂直于顶板布置，两边角锚杆使用楔形托盘。

3)巷道两帮采用φ16 mm，L1600 mm玻璃钢锚杆支护，配套使用Z2355型树脂锚固剂。

帮锚杆呈矩形布置，均垂直于两帮布置。

4 结论
对双柳煤矿3306工作面回采巷道松动圈测试，并以测试结果为依据进行巷道支护方案设计，得出以下主要结论:
1)采用超声波无损检测分析仪进行围岩松动圈测试，测试结果显示，从孔口到孔底煤体中波速有增大的趋势，在靠近孔底处声速变化趋于平缓。

对材料巷道进行了五个测站的测试分析，得出松动圈在距孔口1.4m左右的范围内。

2)根据围岩松动圈理论、《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》对两帮及顶板锚杆参数进行计算，顶板锚杆长2m，间排距1m，两帮锚杆长
1.6m，间排距0.8m。

3)确定材、运两巷顶板采用金属网+钢筋托梁+螺纹锚杆支护、两帮采用金属网+木托板+玻璃钢锚杆支护的联合支护方案。

参考文献:
［1］陈铁军.巷道围岩松动圈支护理论在羊场湾煤矿的应用研究［D］.西安:西安
科技大学，2005.
［2］董方庭，宋宏伟，郭志宏，等.巷道围岩松动圈支护理论［J］.煤炭学报，1994，19(1):21－32.
［3］石建军，马念杰，闫德忠，等.巷道围岩松动圈测试技术及应用［J］.煤炭工程，2008，(3):32－34.
［4］郭志宏，周希圣，何胜春.巷道支护的围岩松动圈分类方法［J］. 建井技术，1994，(4、5):10 －13.
［5］刘玉堂，侯朝炯，姚建国，等.我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性
分类方案［J］.煤炭科学技术，1988，(5):2－5.
［6］贾云波，李学文.锚杆支护理论的探讨［J］.水力采煤与管道运输，2011，(1):83 －85.。