堅(jiān)硬頂板條件下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

文/唐和忠牛勝建

（作者系山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)盛泰煤業(yè)有限公司礦長）

一、概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)盛泰煤業(yè)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a，井下中央大巷、采區(qū)巷道均布置在主采的15# 煤層中， 沿煤層頂板掘進(jìn)，15# 煤層直接頂板為K2 灰?guī)r， 厚度在6~10m 之間，K2 灰?guī)r下偶見厚度不足20cm 的炭質(zhì)泥巖作為煤層偽頂，開采時(shí)隨采隨落。 K2 灰?guī)r在大部地段為硬質(zhì)巖，其密度為2.7g/cm3，含水率為0.3%，平均飽和極限抗壓強(qiáng)度為69.2MPa，平均天然極限抗壓強(qiáng)度為169.3MPa， 內(nèi)摩擦角為43°24′， 凝聚力為16.2MPa， 切線模量為0.4×105MPa， 變形系數(shù)為0.43×105MPa，泊松比為0.16，普氏硬度系數(shù)為16.9；部分地段的K2 灰?guī)r底部，厚度1m 左右，泥質(zhì)含量增高， 巖石強(qiáng)度降低， 其密度為2.72g/cm3，含水率為0.22%，飽和極限抗壓強(qiáng)度平均值為52.52MPa。

設(shè)計(jì)支護(hù)時(shí)， 采用工程類比法和理論計(jì)算法相結(jié)合， 主要包括巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件及地質(zhì)力學(xué)評(píng)估結(jié)果、 錨桿支護(hù)形式設(shè)計(jì)、錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、錨桿支護(hù)材料選擇、錨桿支護(hù)施工工藝、錨桿支護(hù)礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、巷道圍巖復(fù)雜地段支護(hù)設(shè)計(jì)、采動(dòng)影響時(shí)巷道超前支護(hù)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

二、巷道幫頂錨固參數(shù)

1．巷道幫錨固參數(shù)

巷道設(shè)計(jì)凈寬5.0m，凈高3.5m。 沿煤層頂板掘進(jìn)， 頂板巖層平均容重取27KN/m3，頂板巖體的普氏系數(shù)取11.0，兩幫煤巖體普氏系數(shù)取2.0，內(nèi)摩擦角取30°，單根幫錨桿錨固力取80KN，樹脂藥卷粘結(jié)強(qiáng)度取1.0MPa。 則兩幫錨固參數(shù)確定如下：

（1） 兩幫所需要的錨固強(qiáng)度：P=q [(1－sinφ)/(1 +sinφ)] =215.04 ×[(1 －sin30° )/（1 +sin30°）]=71.68KPa

其中，q 為兩幫可承載錨固體所受載荷集 度：q=[(b＇－b)/2l3][∑h+(b＇/2f)]γ=[(9.04－5.0 ）/（2×0.7）](0.5+9.04/4)×27=215.04KPa

b＇ 為 巷 道 等 效 跨 度：b＇ =5.0 +2 ×3.5tan30°≈9.04m兩幫可承載錨固體厚度：l3=（1/5）h0=1/5×3.5=0.7m

（2） 錨桿布置密度：n=p/p0=71.68/80=0.896

幫錨桿布置間排距：a=(1/n)1/2=(1/0.896)1/2≈1.056m

根據(jù)巷道斷面參數(shù)， 取幫錨桿排距為1.2m，間距為1.2m，每排3 根錨桿，上下幫錨桿距離頂?shù)装?.55m，并且分別向頂?shù)装鍍A斜約20°。

(3)錨桿長度為：l=l1+l2+l3+l4+l5

其中， 黏錨力積聚段長度：l1=1/2×[P0/(πφC0)]=1/2×[80/(3.14×0.028×1000)]=0.45m

錨固端錨桿影響區(qū)未重疊區(qū)厚度為：

l2=(a/2)tan45°=1.1/2×1=0.55m

錨尾端錨桿影響區(qū)未重疊區(qū)厚度為：l4=[(a－0.1)/2]tan45°=0.5m

錨桿外露長度為l5，根據(jù)錨桿施工工藝，一般取0.05m。

錨桿總長度l=l1+l2+l3+l4+l5=0.45+0.55+0.7+0.5+0.05=2.25m，取為1.8m。

（4）錨固長度：L錨=2l1=0.9m

（5）錨固劑的選取。 根據(jù)設(shè)計(jì)，藥卷長度L藥=0.74m， 選取樹脂藥卷K2335 和Z2360各一支。

2．巷道頂板錨固參數(shù)

（1）頂板支護(hù)載荷集度：q=[∑h+(2kM+b)/2f] γ =[0.5 +(2 ×3.5 ＋9.04)/(2 ×11)] ×27 =33.19KPa

（2） 頂板錨固布置密度：n=(KK＇q)/F=(2×

1.2 ×33.19)/100=0.797

頂錨桿布置間排距：a=(1/n)1/2=(1/0.797)1/2≈

1.12 m

根據(jù)斷面參數(shù)， 取頂錨桿排距為1.2m，間距為1.1m，每排5 根錨桿，靠近兩幫的錨桿距離巷幫0.30m，并且分別向巷幫傾斜約20°。

（3）錨桿長度的確定：頂板錨桿長度為

l=l1+l2+l3+l4+l5=0.57+0.55+0.7+0.5+0.05=2.37m，取為2.2m。

式中，l1為錨桿外露長度；l2為黏錨力積聚段長度；l3為可承載錨固結(jié)構(gòu)厚度；l4為錨固段錨固力未重疊區(qū)高度；l5為圍巖外表面錨固力未重疊區(qū)高度。

（4）錨固長度的確定：根據(jù)頂板巖層錨固條件，錨固長度為：L錨=1.14m

（5）錨桿錨固劑的選?。焊鶕?jù)設(shè)計(jì)，藥卷長度：L藥=0.94m， 選取樹脂藥卷K2335 和Z2360 各一支。

三、錨固支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上理論計(jì)算分析，結(jié)合工程類比法，確定錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。

支護(hù)方式：錨桿+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)；

表面封閉方式：噴射混凝土，噴射厚度

100mm；

錨桿材料：左旋螺紋鋼（25MnSi），頂錨桿Ф20×2200mm，幫錨桿Ф20×1800mm；

頂錨桿鉆孔深度2150mm， 外露50mm，排距1200mm，間距1100mm，靠近兩幫的頂錨 桿 向 兩 幫 傾 斜20°， 錨 固 劑：K2335 和Z2360 各一支；

幫錨桿鉆孔深度1750mm， 外露50mm，排距1200mm，間距1200mm，靠近頂板和底板的幫錨桿向兩幫傾斜20°， 錨固劑：K2335和Z2360 各一支。

四、結(jié)論

采用理論計(jì)算法和工程類比法相結(jié)合，對(duì)堅(jiān)硬頂板巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件及地質(zhì)力學(xué)評(píng)估結(jié)果、錨桿支護(hù)形式設(shè)計(jì)、錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、錨桿材料選擇等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，為盛泰煤業(yè)礦井巷道支護(hù)提供技術(shù)保障。 但是礦井地質(zhì)條件千變?nèi)f化，隨著地質(zhì)條件的變化，還需及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，特別注重錨桿、錨索的支護(hù)質(zhì)量檢查與受力監(jiān)測(cè)，在施工經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)資料的積累基礎(chǔ)上，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善盛泰煤業(yè)巷道錨固設(shè)計(jì)方法及支護(hù)參數(shù)的選取。