薄煤層工作面回采巷道錨桿支護設計

程文惠

（潞安集團余吾煤業公司， 山西 長治 046000）

引言

回采巷道的穩定對工作面的安全開采有著十分重要的作用。目前，我國回采巷道的支護最常用的方法就是錨桿支護，因此，針對某礦薄煤層開采的實際地質條件，通過計算分析，確定回采巷道的合理尺寸，提出支護方案，為相似條件下回采巷道支護設計提供理論依據。

1 工程概況

某礦主采煤層包括3、6、8號煤層，其中3號煤層厚度為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，煤層厚度穩定，開采條件簡單，瓦斯含量低，屬于全區可采煤層。煤層頂底板較硬，直接頂為2.2 m厚的粉砂巖，基本頂為7.0 m厚的細粒砂巖，直接底為2.7 m厚的中粒砂巖。目現，礦井計劃對3號煤層進行回采，計劃首采工作面的年產量為75萬t，采用“四六”制工作，三班生產，一班準備。為提高經濟效益，保障生產安全，本文根據該礦實際條件，對工作面回采巷道尺寸和支護參數進行相關研究[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條件相匹配，尺寸過小導致無法滿足通風和運輸要求，而尺寸過大造成不必要的浪費，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號煤層屬于薄煤層，工作面回采巷道屬于半煤巖巷，巷道掘進成本高，應在滿足生產需求的基礎上盡量降低巷道高度。根據安全規程要求，回采巷道凈高度應為：

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

因此，巷道凈高度應大于2 250 mm。

2.2 巷道凈寬的確定

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

根據礦井實際條件，所用的運輸設備最寬的是WC40型支架搬運車，其最大寬度By為3 520 mm，而根據《采礦工程設計手冊》，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。將數據代入公式（2）可得B≥5 020 mm。

因此，巷道凈寬度應大于5 020 mm。

根據上訴計算結果，綜合考慮技術與經濟兩方面因素，確定回采巷道為矩形斷面，斷面尺寸為2 250 mm×5 400 mm[2]。

3 錨桿支護設計

3.1 圍巖破壞范圍

受巷道掘進影響根據，圍巖應力重新分布，根據自然平衡拱理論，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為巷道圍巖應力集中系數，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為采動影響系數，取2.7；fy為兩幫圍巖普氏系數，取1.5；h為巷道高度，2.25 m；φ為巷道圍巖內摩擦角，取33°。

將數據代入式（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為巷道圍巖穩定系數，取0.5；fm為頂板錨固巖層普氏系數，取 5。

將數據代入式（4），可得巷道頂板破壞深度為1.52 m[3]。

3.2 支護參數計算

3.2.1 錨桿長度的確定

錨桿長度可通過圍巖破壞范圍確定。頂錨桿長度應為：

式中：LD為頂錨桿長度，m；l0為錨桿外露長度，取0.15 m。

將數據代入式（5）則LD=1.67 m，考慮一定安全系數，取頂錨桿長度為1.8 m。

幫錨桿長度應為：

式中：LB為幫錨桿長度，m。

將數據代入可得幫錨桿長度LB=1.27 m，考慮一定安全系數，幫錨桿長度取1.4 m。

3.2.2 錨桿間排距的確定

根據錨桿承載能力，可確定錨桿間排距為：

式中：ar為錨桿間排距，m；其余符號含義與前相同。

將數據代入公式（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度，其表達式為：

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，頂板取5，兩幫取1.5；σt為錨桿的抗拉強度，取 400×103kPa。

將數據代入式（8）可得頂錨桿的錨固力為72.7kN，幫錨桿錨固力應為43.6 kN。

3.2.4 錨桿根數的確定

錨桿所需根數與巷道圍巖壓力、錨桿間排距以及錨固力等因素有關，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為巷道軸向單位長度，取1 m；其余符號含義與前相同。

將數據代入式（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；其余符號含義與前相同。

將數據代入式（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為：

式中：Nm為錨桿所需根數；K為安全系數，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。

將數據代入公式（11）可得：頂錨桿根數為4.3，幫錨桿根數為1.6。取整數，每個斷面頂錨桿設置5根，幫錨桿設置2根[4]。

根據上述計算，該礦回采巷道支護斷面圖如圖2所示。

圖2 回采巷道錨桿支護設計圖（單位：mm）

4 結論

根據某礦薄煤層實際地質情況，通過分析計算，得到以下結論：

1）確定巷道合理尺寸，認為巷道凈高應為2.2 m，巷道凈寬應為5.4 m；

2）確定巷道錨桿合理支護參數，巷道頂板錨桿直徑為18 mm，長度為1.8 m，間排距為1 m，每排布置5根，兩側錨桿向兩幫傾斜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。