錨桿錨索聯合支護在東河煤礦辛莊井的應用

摘要：東河煤礦辛莊井煤巷，煤層頂板屬復合頂板，頂板整體強度較低。在原有錨桿支護理論的基礎上，選擇合理的支護參數，采用錨桿錨索聯合支護，提高了巷道的支護效果，具有顯著的經濟效益和安全效益。文章介紹了該礦的支護方案以及支護參數的設計，供相關人員參考借鑒。

關鍵詞：錨桿；錨索；聯合支護；巷道；參數設計

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0055-02

東河煤礦辛莊井2#煤層巷道掘進一直采用錨桿支護，大量的生產實踐表明，辛莊井2#煤層掘進巷道采用錨桿支護是科學合理的。在進行11#煤層開拓時，由于11#煤頂板直接頂為3.4m厚的粉砂質泥巖，頂板破碎，容易掉碴，我們通過對11#煤層及頂板巖性的分析計算，采用了錨桿加錨索支護方式，并在幫頂各噴射50mm厚的混凝土加強支護，避免圍巖的氧化。由于它的錨桿支護加固了巷道頂板，并且保持了頂板整體性，因此只需要增加一定數量的錨索，直接使它的頂懸吊于穩定性高的老頂上，避免錨固體以上離層及出現巷道頂板整體下沉或垮落，達到良好的支護效果。

1 巷道的基本情況

辛莊井開拓煤巷位于辛莊井田南部，長度520m，兩側為實體煤，巷道設計為矩形斷面，沿煤層直接頂掘進，巷道掘進寬2.9m，凈寬2.8m，高2.3m，幫頂各噴50mm的砼。所揭露11#煤層平均厚度2.8m，煤層結構簡單，中間有一層50～60mm厚的夾矸，頂板為3.4m厚的粉砂質泥巖直接頂，具體結構自下而上是0.29m粉砂質泥巖上有一薄層有機質在層理之間，在往上0.21m粉砂質泥巖又有一薄層有機質在層理之間。老頂為粉砂質泥巖和細砂巖互層。本層粉砂巖巖性脆、易破，受力和風化后，從層理有機質之間往下掉塊。因此巷道的頂板強度較低，屬于復合頂板。

2 關于支護方案

2.1 在巷道頂板上采用錨噴、錨索等支護系統

頂板錨桿為圓鋼錨桿，并鋪設金屬網，主要考慮如下因素：（1）直接頂整體強度較低，錨桿能夠約束頂板圍巖的破壞和變形，并且阻止頂板離層；（2）頂板錨桿之間是通過金屬網而形成的支護整體，為的是防止破碎的頂板冒落，并共同約束到錨固區內的頂板變形以及破壞；（3）利用錨索加強支護，防止頂板在錨固區外產生離層而造成冒頂；（4）噴漿防止風化破碎和掉碴。

2.2 巷道的兩幫建議采用圓鋼錨桿做支護

（1）在兩幫煤體的強度過小，錨固的長度又過短時，會由于錨固力偏低，而不能充分發揮出錨桿的作用；（2）要加強兩幫的支護，并減小兩幫的破碎區以及塑性區的寬度，以減小頂板區跨度，再則巷道服務年限較長，加以兩幫噴50mm的混凝土，以便提高兩幫作用于頂板的承載力。由錨桿支護的實踐表明，圓鋼錨桿是可以達到兩幫煤體支護要求的。

3 關于支護參數的設計

3.1 錨桿支護參數設計

11#煤為近水平煤層，頂板為層狀頂板。錨桿起的是懸吊的作用，計算側壓需采用自然平衡拱法來作為錨桿相關支護參數設計理論的模型，如圖1所示。

3.1.1 按照普氏計算的方法來計算側壓。11#煤頂板普氏系數f=4.5，11#煤容量γc=13.2kN/m3，單向抗壓強度=16.4MPa。

（1）計算壓力破壞角度Bc=arctg（δc/100）=arctg（16.4/100）=9.31°

（2）自然平衡拱高b1=a1/f=[a+Hctg（45°+9.31/2）]/4.5

=[2.9/2+2.3ctg（45°+9.31/2）]/4.5=0.76m

（3）上部側壓：Pa′=γc×b1×tg2（45°-Bc/2）=13.2×0.76×tg2（45°-9.31/2）=7.24kN/m2

下部側壓：Pa″=γc×（b1+H）×tg2（45°-Bc/2）=13.2×（0.76+2.3）×tg2（45°-9.31/2）=29.15kN/m2

總側壓：Pa=0.5γcH×（2b1+H）×tg2（45°-Bc/2）=0.5×13.2×2.3×（2×0.76+2.3）×tg2（45°-9.31/2）=41.84kN/m2

計算Pa的作用點與巷道底板的標高系數為：

X=H/3×（3b1+H）/（2b1+H）=2.3/3×（3×0.76+2.3）/（2×0.76+2.3）=0.92m

3.1.2 頂錨桿參數的計算。

（1）按錨桿長度來確定。把懸吊作用計算的錨桿長度定為錨桿總長度：

L=L1+K×b1+L3

L1為錨桿巷道中的錨桿外露長度0.05m，K為安全系數1.8，b1為自然平衡拱高，L3為錨桿錨入深度，取0.3m。

得L=0.05+1.8×0.76+0.3=1.72m

取L=1.8m。

（2）關于頂錨桿直徑確定。以桿體的抗拉強度與錨桿設計錨固力相等的原則可以確定：

P拉=Q固=1/4πd2δ拉

式中：

Q固——錨桿設計錨固力，Q固=50kN

δ拉——錨桿設計抗拉強度，δ拉=200MPa

52=1/4×3.14×d2×200d=0.0178m，取d=18mm

（3）關于頂錨桿間排距確定。根據現場的實踐經驗，考慮圍巖的完整及作用角，錨桿間距盡可能要保證約束強度的均勻分布，錨桿間距要不超過錨桿長度的1/2，錨桿跟巷道兩幫的距離不超過錨桿支護間距的一半，頂板靠近巷道兩幫的錨桿應該向外傾斜固定角度，保證錨桿錨固端伸入煤壁的水平投影長度大于等于200mm。

錨桿間距a≤L/2=1.8/2=0.9m，取0.8m

每排錨桿根數2.9/0.8=3.6取4根

錨桿排距L0=Nq/（2×γ×a1×L）

式中：

n——每排錨桿根數，n=4

Q——錨桿設計錨固力，Q=50kN

K——安全系數，取1.8

a1——巷道掘進寬度一半，1.45m

L——加固巖石長度，1.8-0.05=1.75m

γ——頂板巖石容重，26kN/m3

L0=（4×50）/（2×1.8×26×1.45×1.75）=0.84m

取排距L0=0.8m

計算確定頂錨桿排和間距均為0.8m。

3.1.3 關于幫錨桿參數的選擇。

（1）幫錨桿長度確定。

L幫=C+Z+L0

其中：C為兩幫煤體的非有效承載區的寬度為0.8m；

Z為幫錨桿額外伸入非有效承載區之外的錨固深度為0.5m；

L0為幫錨桿的外露長度取0.1m；

L幫=C+Z+L0=0.8+0.5+0.1=1.4m，取幫錨桿長為1.6m

（2）錨桿間距。

D=NH/（LkPa）=30×2.3/（1.5×1.2×41.84）=0.92m

式中：

N——設計錨桿錨固力力≥30kN

k——安全系數，取1.2

L——幫錨桿伸入煤壁的長度，1.6-0.1=1.5m

Pa——總側壓，41.84kN/m2。

（3）關于幫錨桿布置方式確定。計算得：總側壓作用點與底板距離X=0.92m，因此在0.9m處需要排布一排錨桿，而施工中的片幫煤一般是發生在中上部，這就需要在中上部多布置一排，計算位置為底板上1.8m，間距0.9m，最后確定幫錨桿排間距為0.8m×0.9m。

最終設計的錨桿支護參數為：選用頂錨桿長位1.8m、Ф16的圓鋼錨桿，排距間距各0.8m，采用1個樹脂藥卷用來錨固，頂錨桿為4根。幫錨桿各采用長1.6m、Ф16圓鋼錨桿，排距0.8m，上幫間距0.5m，下幫間距0.9m，采用1個樹脂藥卷，兩幫各2根錨桿。

3.2 關于錨索參數的設計

假設錨索在老頂的錨固長度取1.0m，并將錨索的總長度設為5m。那么上覆巖層的潛在垮落范圍的直接頂巖層自重荷載為：

W=S×γ×D排

其中S為潛在破壞范圍面積：

S=1/2×h×B=1/2×1.2×3=1.8

H——潛在冒高，h=1.2，潛在冒寬B=3

b——巷道寬度，取2.9m

γ——巖體容重25kN/m3。

錨索的排距D排，按照6排錨桿對應1根錨索設計，定為4.8m。

則W=224kN。

p錨索的懸吊能力：P=P1>W。

錨索的破斷載荷P1=260kN。

4 評價

通過觀察噴射的混凝土沒有開裂和破碎，說明我們的支護是成功的。根據開拓巷道要求的服務年限長，常規支護方式為金屬棚支護，每米材料費用為1200元。采用錨桿錨索支護后，每米材料費用為500元，每米節約材料成本600元，520m巷道節約520×600=31.2萬元。錨桿錨索聯合支護方面的突出優點為：巷道維護效果好，降低勞動強度，提高勞動效率；減少后續大量工程，節省材料數量，明顯的節支降耗，提高安全可靠性。

參考文獻

[1] 何滿潮.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[2] 張向東，張樹光，劉松.錨桿支護配套技術設計與施工[M].北京：中國計劃出版社，2003.

作者簡介：曹以旭（1973-），男，太原煤氣化公司東河煤礦助理工程師，研究方向：地下采煤。

錨桿排距L0=Nq/（2×γ×a1×L）

式中：

n——每排錨桿根數，n=4

Q——錨桿設計錨固力，Q=50kN

K——安全系數，取1.8

a1——巷道掘進寬度一半，1.45m

L——加固巖石長度，1.8-0.05=1.75m

γ——頂板巖石容重，26kN/m3

L0=（4×50）/（2×1.8×26×1.45×1.75）=0.84m

取排距L0=0.8m

計算確定頂錨桿排和間距均為0.8m。

3.1.3 關于幫錨桿參數的選擇。

（1）幫錨桿長度確定。

L幫=C+Z+L0

其中：C為兩幫煤體的非有效承載區的寬度為0.8m；

Z為幫錨桿額外伸入非有效承載區之外的錨固深度為0.5m；

L0為幫錨桿的外露長度取0.1m；

L幫=C+Z+L0=0.8+0.5+0.1=1.4m，取幫錨桿長為1.6m

（2）錨桿間距。

D=NH/（LkPa）=30×2.3/（1.5×1.2×41.84）=0.92m

式中：

N——設計錨桿錨固力力≥30kN

k——安全系數，取1.2

L——幫錨桿伸入煤壁的長度，1.6-0.1=1.5m

Pa——總側壓，41.84kN/m2。

（3）關于幫錨桿布置方式確定。計算得：總側壓作用點與底板距離X=0.92m，因此在0.9m處需要排布一排錨桿，而施工中的片幫煤一般是發生在中上部，這就需要在中上部多布置一排，計算位置為底板上1.8m，間距0.9m，最后確定幫錨桿排間距為0.8m×0.9m。

最終設計的錨桿支護參數為：選用頂錨桿長位1.8m、Ф16的圓鋼錨桿，排距間距各0.8m，采用1個樹脂藥卷用來錨固，頂錨桿為4根。幫錨桿各采用長1.6m、Ф16圓鋼錨桿，排距0.8m，上幫間距0.5m，下幫間距0.9m，采用1個樹脂藥卷，兩幫各2根錨桿。

3.2 關于錨索參數的設計

假設錨索在老頂的錨固長度取1.0m，并將錨索的總長度設為5m。那么上覆巖層的潛在垮落范圍的直接頂巖層自重荷載為：

W=S×γ×D排

其中S為潛在破壞范圍面積：

S=1/2×h×B=1/2×1.2×3=1.8

H——潛在冒高，h=1.2，潛在冒寬B=3

b——巷道寬度，取2.9m

γ——巖體容重25kN/m3。

錨索的排距D排，按照6排錨桿對應1根錨索設計，定為4.8m。

則W=224kN。

p錨索的懸吊能力：P=P1>W。

錨索的破斷載荷P1=260kN。

4 評價

通過觀察噴射的混凝土沒有開裂和破碎，說明我們的支護是成功的。根據開拓巷道要求的服務年限長，常規支護方式為金屬棚支護，每米材料費用為1200元。采用錨桿錨索支護后，每米材料費用為500元，每米節約材料成本600元，520m巷道節約520×600=31.2萬元。錨桿錨索聯合支護方面的突出優點為：巷道維護效果好，降低勞動強度，提高勞動效率；減少后續大量工程，節省材料數量，明顯的節支降耗，提高安全可靠性。

參考文獻

[1] 何滿潮.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[2] 張向東，張樹光，劉松.錨桿支護配套技術設計與施工[M].北京：中國計劃出版社，2003.

作者簡介：曹以旭（1973-），男，太原煤氣化公司東河煤礦助理工程師，研究方向：地下采煤。

錨桿排距L0=Nq/（2×γ×a1×L）

式中：

n——每排錨桿根數，n=4

Q——錨桿設計錨固力，Q=50kN

K——安全系數，取1.8

a1——巷道掘進寬度一半，1.45m

L——加固巖石長度，1.8-0.05=1.75m

γ——頂板巖石容重，26kN/m3

L0=（4×50）/（2×1.8×26×1.45×1.75）=0.84m

取排距L0=0.8m

計算確定頂錨桿排和間距均為0.8m。

3.1.3 關于幫錨桿參數的選擇。

（1）幫錨桿長度確定。

L幫=C+Z+L0

其中：C為兩幫煤體的非有效承載區的寬度為0.8m；

Z為幫錨桿額外伸入非有效承載區之外的錨固深度為0.5m；

L0為幫錨桿的外露長度取0.1m；

L幫=C+Z+L0=0.8+0.5+0.1=1.4m，取幫錨桿長為1.6m

（2）錨桿間距。

D=NH/（LkPa）=30×2.3/（1.5×1.2×41.84）=0.92m

式中：

N——設計錨桿錨固力力≥30kN

k——安全系數，取1.2

L——幫錨桿伸入煤壁的長度，1.6-0.1=1.5m

Pa——總側壓，41.84kN/m2。

（3）關于幫錨桿布置方式確定。計算得：總側壓作用點與底板距離X=0.92m，因此在0.9m處需要排布一排錨桿，而施工中的片幫煤一般是發生在中上部，這就需要在中上部多布置一排，計算位置為底板上1.8m，間距0.9m，最后確定幫錨桿排間距為0.8m×0.9m。

最終設計的錨桿支護參數為：選用頂錨桿長位1.8m、Ф16的圓鋼錨桿，排距間距各0.8m，采用1個樹脂藥卷用來錨固，頂錨桿為4根。幫錨桿各采用長1.6m、Ф16圓鋼錨桿，排距0.8m，上幫間距0.5m，下幫間距0.9m，采用1個樹脂藥卷，兩幫各2根錨桿。

3.2 關于錨索參數的設計

假設錨索在老頂的錨固長度取1.0m，并將錨索的總長度設為5m。那么上覆巖層的潛在垮落范圍的直接頂巖層自重荷載為：

W=S×γ×D排

其中S為潛在破壞范圍面積：

S=1/2×h×B=1/2×1.2×3=1.8

H——潛在冒高，h=1.2，潛在冒寬B=3

b——巷道寬度，取2.9m

γ——巖體容重25kN/m3。

錨索的排距D排，按照6排錨桿對應1根錨索設計，定為4.8m。

則W=224kN。

p錨索的懸吊能力：P=P1>W。

錨索的破斷載荷P1=260kN。

4 評價

通過觀察噴射的混凝土沒有開裂和破碎，說明我們的支護是成功的。根據開拓巷道要求的服務年限長，常規支護方式為金屬棚支護，每米材料費用為1200元。采用錨桿錨索支護后，每米材料費用為500元，每米節約材料成本600元，520m巷道節約520×600=31.2萬元。錨桿錨索聯合支護方面的突出優點為：巷道維護效果好，降低勞動強度，提高勞動效率；減少后續大量工程，節省材料數量，明顯的節支降耗，提高安全可靠性。

參考文獻

[1] 何滿潮.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[2] 張向東，張樹光，劉松.錨桿支護配套技術設計與施工[M].北京：中國計劃出版社，2003.

作者簡介：曹以旭（1973-），男，太原煤氣化公司東河煤礦助理工程師，研究方向：地下采煤。