薄煤層工作面回采巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

程文惠

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

回采巷道的穩(wěn)定對(duì)工作面的安全開采有著十分重要的作用。目前，我國(guó)回采巷道的支護(hù)最常用的方法就是錨桿支護(hù)，因此，針對(duì)某礦薄煤層開采的實(shí)際地質(zhì)條件，通過計(jì)算分析，確定回采巷道的合理尺寸，提出支護(hù)方案，為相似條件下回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某礦主采煤層包括3、6、8號(hào)煤層，其中3號(hào)煤層厚度為1.05～1.40 m，平均僅有1.20 m，屬于薄煤層開采，煤層埋深為170～310 m，平均220 m，煤層傾角為0°～3°，平均僅1°，屬于近水平煤層，煤層厚度穩(wěn)定，開采條件簡(jiǎn)單，瓦斯含量低，屬于全區(qū)可采煤層。煤層頂?shù)装遢^硬，直接頂為2.2 m厚的粉砂巖，基本頂為7.0 m厚的細(xì)粒砂巖，直接底為2.7 m厚的中粒砂巖。目現(xiàn)，礦井計(jì)劃對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行回采，計(jì)劃首采工作面的年產(chǎn)量為75萬t，采用“四六”制工作，三班生產(chǎn)，一班準(zhǔn)備。為提高經(jīng)濟(jì)效益，保障生產(chǎn)安全，本文根據(jù)該礦實(shí)際條件，對(duì)工作面回采巷道尺寸和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究[1]。

2 回采巷道尺寸的確定

回采巷道的尺寸要與工作面生產(chǎn)條件相匹配，尺寸過小導(dǎo)致無法滿足通風(fēng)和運(yùn)輸要求，而尺寸過大造成不必要的浪費(fèi)，增加開采成本，因此，確定合理的巷道尺寸十分重要。

2.1 巷道凈高的確定

由于3號(hào)煤層屬于薄煤層，工作面回采巷道屬于半煤巖巷，巷道掘進(jìn)成本高，應(yīng)在滿足生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上盡量降低巷道高度。根據(jù)安全規(guī)程要求，回采巷道凈高度應(yīng)為：

根據(jù)礦井實(shí)際條件，所用的運(yùn)輸設(shè)備最高的是WC3E（A）型薄煤層膠輪車，工作面運(yùn)輸設(shè)備最大高度Hy為1 650 mm，而根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，回采巷道頂板與運(yùn)輸設(shè)備間的安全間隙d1不得小于600 mm。將數(shù)據(jù)代入公式（1）可得H≥2 250 mm。

因此，巷道凈高度應(yīng)大于2 250 mm。

2.2 巷道凈寬的確定

對(duì)于巷道寬度，要大于膠輪車寬度與行人通道之和，留有一定的安全間隙，其表達(dá)式為：

根據(jù)礦井實(shí)際條件，所用的運(yùn)輸設(shè)備最寬的是WC40型支架搬運(yùn)車，其最大寬度By為3 520 mm，而根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，回采巷道人行通道a一般取800～1 000 mm，這里取1 000 mm，安全間隙d2一般取300～500 mm，這里取500 mm。將數(shù)據(jù)代入公式（2）可得B≥5 020 mm。

因此，巷道凈寬度應(yīng)大于5 020 mm。

根據(jù)上訴計(jì)算結(jié)果，綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩方面因素，確定回采巷道為矩形斷面，斷面尺寸為2 250 mm×5 400 mm[2]。

3 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 圍巖破壞范圍

受巷道掘進(jìn)影響根據(jù)，圍巖應(yīng)力重新分布，根據(jù)自然平衡拱理論，圍巖破壞范圍如圖1所示。

圖1 巷道圍巖破壞范圍

如圖所示，巷道兩幫的破壞范圍為：

式中：C為兩幫破壞深度，m；Kcx為巷道圍巖應(yīng)力集中系數(shù)，取3；γ為頂板圍巖平均容重，取25 kN/m3；H為煤層埋深，取142 m；B為采動(dòng)影響系數(shù)，取2.7；fy為兩幫圍巖普氏系數(shù)，取1.5；h為巷道高度，2.25 m；φ為巷道圍巖內(nèi)摩擦角，取33°。

將數(shù)據(jù)代入式（3）可得巷道兩幫破壞深度為1.12 m。

巷道頂板破壞深度可由式（4）表示：

式中：b為巷道頂板破壞深度，m；a為巷道兩幫到中心線的距離，取2.7 m；α為巖層傾角，取1°；ky為巷道圍巖穩(wěn)定系數(shù)，取0.5；fm為頂板錨固巖層普氏系數(shù)，取 5。

將數(shù)據(jù)代入式（4），可得巷道頂板破壞深度為1.52 m[3]。

3.2 支護(hù)參數(shù)計(jì)算

3.2.1 錨桿長(zhǎng)度的確定

錨桿長(zhǎng)度可通過圍巖破壞范圍確定。頂錨桿長(zhǎng)度應(yīng)為：

式中：LD為頂錨桿長(zhǎng)度，m；l0為錨桿外露長(zhǎng)度，取0.15 m。

將數(shù)據(jù)代入式（5）則LD=1.67 m，考慮一定安全系數(shù)，取頂錨桿長(zhǎng)度為1.8 m。

幫錨桿長(zhǎng)度應(yīng)為：

式中：LB為幫錨桿長(zhǎng)度，m。

將數(shù)據(jù)代入可得幫錨桿長(zhǎng)度LB=1.27 m，考慮一定安全系數(shù)，幫錨桿長(zhǎng)度取1.4 m。

3.2.2 錨桿間排距的確定

根據(jù)錨桿承載能力，可確定錨桿間排距為：

式中：ar為錨桿間排距，m；其余符號(hào)含義與前相同。

將數(shù)據(jù)代入公式（7）可得ar=1.0 m，因此，確定錨桿間排距為1.0 m。

3.2.3 錨桿錨固力的確定

錨桿錨固力的取決于圍巖強(qiáng)度，其表達(dá)式為：

式中：Pm為錨桿錨固力，kN；D為錨桿直徑，取0.018 m；fp為巷道錨固段圍巖普氏系數(shù)，頂板取5，兩幫取1.5；σt為錨桿的抗拉強(qiáng)度，取 400×103kPa。

將數(shù)據(jù)代入式（8）可得頂錨桿的錨固力為72.7kN，幫錨桿錨固力應(yīng)為43.6 kN。

3.2.4 錨桿根數(shù)的確定

錨桿所需根數(shù)與巷道圍巖壓力、錨桿間排距以及錨固力等因素有關(guān)，頂板所受壓力可表示為：

式中：QD為巷道頂板所受壓力，kN；γD為巷道頂板平均容重，取25 kN/m3；B1為巷道軸向單位長(zhǎng)度，取1 m；其余符號(hào)含義與前相同。

將數(shù)據(jù)代入式（9）可得巷道頂板所受壓力為205 kN。

巷道兩幫所受壓力為：

式中：QB為巷道兩幫所受壓力，kN；γB為巷道兩幫平均容重，取24 kN/m3；其余符號(hào)含義與前相同。

將數(shù)據(jù)代入式（10）可得巷道兩幫所受壓力為23 kN。

則回采巷道所需錨桿根數(shù)為：

式中：Nm為錨桿所需根數(shù)；K為安全系數(shù)，頂板取1.5，兩幫取3；Q為巷道所受壓力，頂板取205 kN，兩幫取23 kN。

將數(shù)據(jù)代入公式（11）可得：頂錨桿根數(shù)為4.3，幫錨桿根數(shù)為1.6。取整數(shù)，每個(gè)斷面頂錨桿設(shè)置5根，幫錨桿設(shè)置2根[4]。

根據(jù)上述計(jì)算，該礦回采巷道支護(hù)斷面圖如圖2所示。

圖2 回采巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

4 結(jié)論

根據(jù)某礦薄煤層實(shí)際地質(zhì)情況，通過分析計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1）確定巷道合理尺寸，認(rèn)為巷道凈高應(yīng)為2.2 m，巷道凈寬應(yīng)為5.4 m；

2）確定巷道錨桿合理支護(hù)參數(shù)，巷道頂板錨桿直徑為18 mm，長(zhǎng)度為1.8 m，間排距為1 m，每排布置5根，兩側(cè)錨桿向兩幫傾斜30°布置，其余均垂直頂板布置；兩幫錨桿直徑為18 mm，長(zhǎng)度為1.4 m，間排距為1 m，每幫每排布置2根，均垂直兩幫布置。