72911 工作面巷道錨桿支護(hù)合理參數(shù)的確定

李智生

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司，山西 太原 030053）

1 概況

杜兒坪礦72911 工作面埋深平均為614.5 m，走向長(zhǎng)1375 m，傾斜長(zhǎng)249 m，煤層均厚2.3 m，傾角平均6°?；卷敒镵6 粉砂巖，均厚3.93 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚1.94 m；直接底為細(xì)粒砂巖，均厚1.00 m；基本底為K5 粗砂巖，均厚4.67 m。兩順槽均為矩形巷道，寬4.2 m，高3.0 m。

2 錨桿支護(hù)理論分析及關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1 巷幫破壞深度

（1）巷幫破壞深度按照式（1）計(jì)算確定：

式中：C為巷幫破壞深度，m；Kσ為應(yīng)力集中系數(shù)；σcc為被巷道切割的煤層單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；γ為巷道上覆巖層的平均容重，取25 kN/m3；H為巷道埋深，取614.5 m；α為煤層傾角，取平均值6°；hc為被巷道切割的煤層厚度，取2.3 m；l為巷道切割煤層的最大寬度，取4.2 m；μ為煤體泊松比；φ為煤層內(nèi)摩擦角。

應(yīng)力集中系數(shù)Kσ可由式（2）確定：

式中：KS為與巷道斷面形狀有關(guān)的應(yīng)力集中系數(shù)，矩形巷道取2.3；Kα為受臨近工作面采空區(qū)影響系數(shù)，按式（3）確定。

式中：x為煤柱實(shí)際寬度，取26 m；σrm為基本頂單軸抗壓強(qiáng)度；h為采高，取2.3 m；hi為直接頂厚度，取1.94 m。煤層單軸抗壓強(qiáng)度為12 MPa，泊松比為0.38，內(nèi)摩擦角為50°，基本頂單軸抗壓強(qiáng)度為60 MPa。將上述參數(shù)代入公式（3）中，得到Kα=1.09；代入式（2）中，得到Kσ=2.51；代入式（1）中，得到巷幫破壞深度C=1.43 m。

2.2 巷道頂板破壞高度

頂板為均質(zhì)巖層時(shí)，巷道頂板破壞高度b由式（4）確定：

式中：a為巷道的半跨距，取2.1 m；C為巷幫破壞深度，由前述計(jì)算得到為1.43 m；λ為側(cè)壓系數(shù)，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量獲得，λ=0.69；σcr為頂板巖層單軸抗壓強(qiáng)度，取直接頂巖層的單軸抗壓強(qiáng)度40 MPa；Ky為頂板巖層完整系數(shù)，按照式（5）確定。

式中：D1為頂板巖層節(jié)理間距，取0.3 m；D2為頂板巖層分層厚度，先取直接頂厚度，為1.94 m。由此獲得Ky=0.63，巷道頂板破壞高度b=1.28 m。由于巷道頂板破壞高度計(jì)算值小于直接頂厚度，該高度取1.28 m。

2.3 巷幫載荷集度

由此計(jì)算獲得巷幫載荷集度Qs=57.21 kN/m。

2.4 頂板載荷集度

頂板載荷集度采用公式（8）確定：

式中：σcrm為老頂單軸抗壓強(qiáng)度，為60 MPa；其余各參數(shù)均已前述，代入可得Qr=187.31 kN/m。

2.5 頂板錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）錨桿長(zhǎng)度

包括外露長(zhǎng)度Lout、有效長(zhǎng)度Leff和錨固段長(zhǎng)度Lfix，由式（9）確定：

根據(jù)現(xiàn)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，錨固段長(zhǎng)度取0.8 m。錨固段長(zhǎng)度必須大于直接頂厚度。直接頂平均總厚度為1.94 m，煤層厚度平均2.3 m，設(shè)計(jì)巷道高度為3.0 m，頂板破壞高度為1.28 m，錨桿有效長(zhǎng)度必須大于巷道切割后的直接頂厚度或者大于頂板破壞高度，取最大值1.28 m。因此，錨桿長(zhǎng)度L≥2.08 m，取L=2.1 m。

（2）錨桿桿體直徑

錨桿直徑d根據(jù)桿體承載能力和錨固力Q等強(qiáng)度原則，按照式（10）確定：

式中：σt為錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度，也是桿體的承載能力。據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，Q=105 kN，σt=500 MPa，直接代入可得錨桿桿體直徑為16.28 mm，根據(jù)螺紋鋼型號(hào)，直接取為20 mm。

（3）錨桿的排距

錨桿排距D按照式（11）確定：

式中K'為安全系數(shù)，一般取2～5，這里取3。將前述上述參數(shù)代入式（11）中，可得D=0.94 m，取1.0 m。

（4）每排錨桿數(shù)量

每排錨桿數(shù)量按照式（12）確定：

式中K″為安全系數(shù)，一般取2～5，這里取3?？傻肗=5.35，取整N=6。

（5）支護(hù)形式

考慮回采期間基本頂破斷影響順槽超前、巷道跨距較大上覆巖層的蠕變變形，施工時(shí)在巷道中部增加一對(duì)長(zhǎng)度5.3 m 的錨索，采用鋼帶連接錨桿、錨索，再鋪設(shè)金屬網(wǎng)防止表面煤巖層風(fēng)化。確定巷道頂板為“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)”、兩幫為“錨桿+金屬網(wǎng)”的支護(hù)形式。

（6）巷道支護(hù)方案

如圖1，螺紋鋼錨桿每排6 根，錨索每排2 根，采用3800 mm 鋼帶和菱形金屬網(wǎng)配合錨桿、錨索支護(hù)。錨索和錨桿全部打進(jìn)鋼帶內(nèi)。

兩幫采用三排規(guī)格為Φ20 mm×2100 mm 螺紋鋼錨桿加菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿矩形布置，間排距900 mm×1000 mm，每根幫錨桿裝MSCK2360 型藥卷1 卷。

3 巷道變形監(jiān)測(cè)

（1）巷道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在72911 工作面順槽掘進(jìn)過(guò)程中，兩順槽頂板和兩幫沿巷道長(zhǎng)度方向布置3 個(gè)巷道監(jiān)測(cè)站，分別測(cè)量頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟?。其? 號(hào)觀測(cè)站距離大巷100 m，2#和3#分別距離1#測(cè)點(diǎn)50 m、100 m。

（2）巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

如圖2 所示為1 號(hào)測(cè)站在掘進(jìn)期間巷道表面變形。在掘進(jìn)面超過(guò)預(yù)設(shè)測(cè)站位置后，確定測(cè)量點(diǎn)位，標(biāo)記并平整點(diǎn)位，每天對(duì)測(cè)站的點(diǎn)位進(jìn)行巷道兩幫和頂?shù)装遄冃瘟康臏y(cè)量，共監(jiān)測(cè)近50 d。

從圖2 可知，在測(cè)量期內(nèi)巷道頂?shù)装遄冃瘟靠偣布s為134 mm，兩幫移近量總共約為55 mm，頂?shù)鬃冃瘟看笥趦蓭汀Ｕw看，在巷道形成后，巷道表面變形量幾乎呈線性增加，約35 d 后趨于穩(wěn)定。在線性增加階段，頂?shù)装遄冃嗡俾始s為4.02 mm/d，兩幫變形速率約為1.33 mm/d。35 d 后，巷道表面變形速率降低，巷道變形處于穩(wěn)定階段。由此確定，上述支護(hù)方案可以有效維護(hù)巷道圍巖，滿足生產(chǎn)要求。

圖1 巷道支護(hù)方案圖

圖2 巷道表面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

72911 工作面采用理論分析獲得在巷道尺寸為4200 mm（寬）×3000 mm（高）情況下，巷幫破壞深度1.43 m，頂板破壞高度1.28 m，巷幫載荷集度57.21 kN/m，頂板載荷集度187.31 kN/m，確定了錨桿直徑、長(zhǎng)度和間排距，采用“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方案。經(jīng)監(jiān)測(cè)，巷道頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭鸵平磕軌驖M足安全生產(chǎn)需要。