官地礦中五采區(qū)3#回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

李世杰

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

回采巷道圍巖穩(wěn)定是保障礦井正常生產(chǎn)的重要因素。在我國(guó)，錨桿支護(hù)是最常用的巷道支護(hù)方式，對(duì)錨桿支護(hù)的研究也一直是采礦界的重要課題。而對(duì)于錨桿支護(hù)參數(shù)的確定，目前主要有三種方法：理論計(jì)算、數(shù)值模擬和工程類比[1-3]。其中，理論計(jì)算是生產(chǎn)實(shí)踐中最為常用的一種方法，錨桿支護(hù)理論種類較多，被采礦界廣泛接受的理論有懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論、松動(dòng)圈理論等，不同理論的適用條件也各不相同，選擇適合的理論是理論計(jì)算的關(guān)鍵[4-5]。本文以官地礦中五采區(qū)3#煤實(shí)際賦存條件為背景，利用理論計(jì)算和工程類比兩種方法對(duì)采區(qū)回采巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

1 工程背景

官地礦是西山煤電集團(tuán)主力礦井，核定生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/a。中五采區(qū)為一北西、南東向長(zhǎng)方形，長(zhǎng)約2km，寬約1km，面積為2.9km2，2#煤層已回采完畢，3#煤層位于2#煤層下方3.80～5.30m處，平均層間距為4.61m，煤層厚度為2.90～4.20m，平均3.36m，煤層傾角為4～7°，平均6°，屬于近水平煤層。采區(qū)共布置14個(gè)回采工作面，工作面回采巷道均設(shè)計(jì)為矩形斷面，斷面寬為4.2m，高為3.0m。

2 工程類比法

工程類比法是確定巷道支護(hù)參數(shù)的重要依據(jù)。

官地礦南五采區(qū)13510工作面，主采3#煤層，其上部7.5m為2#煤層采空區(qū)，開采條件與中五采區(qū)十分類似，其巷道支護(hù)方式對(duì)本采區(qū)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)有著重要的參考價(jià)值。

13510工作面正巷為矩形斷面，斷面尺寸為4.0×2.8m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)的形式。頂板錨桿直徑為22mm，長(zhǎng)度為2.4m，間排距為0.9×1.0m，全部垂直頂板布置，頂板錨索直徑為21.6mm，長(zhǎng)度為5.2m，間排距為1.8×2.0m；幫錨桿直徑為22mm，長(zhǎng)度為2.4m，由于巷道位于近距離煤層采空區(qū)下，巷道滾幫現(xiàn)象較為嚴(yán)重，因此兩幫每排第二根打入幫錨索，錨索直徑為21.6mm，長(zhǎng)度為4.0m，排距為2.0m。頂板和兩幫均采用加強(qiáng)菱形網(wǎng)，規(guī)格為2.3×1.1m。

3 理論計(jì)算支護(hù)參數(shù)

（1）錨桿長(zhǎng)度的確定

根據(jù)懸吊理論，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)由外露長(zhǎng)度、有效長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度三部分組成，其表達(dá)式為：

式中：

L-錨桿長(zhǎng)度，mm；

L1-外露長(zhǎng)度，mm；

L2-有效長(zhǎng)度（頂錨桿取冒落拱最大高度，幫錨桿取煤幫破碎深度），mm；

L3-錨固長(zhǎng)度，mm。

式（1）中，外露長(zhǎng)度L1可取50mm，錨固長(zhǎng)度L3取350mm，有效長(zhǎng)度L2頂板取冒落拱最大高度，兩幫取煤壁破壞深度，有：

式中：

b-冒落拱高度，m；

B-巷道寬度，取4.2m；

fd-頂板普氏系數(shù)，取3；

c-兩幫破壞深度，m；

H-巷道高度，取3.0m；

f-煤層普氏系數(shù)，取1.8。

代入數(shù)據(jù)，可得：

將所得結(jié)果代入式（1），可得：

頂錨桿長(zhǎng)度：L=50+960+350=1360mm

幫錨桿長(zhǎng)度：L=50+780+350=1180mm。

考慮上部4.61m處為2#煤層采空區(qū)，巷道圍巖較為破碎，維護(hù)管理困難，頂板與兩幫錨桿長(zhǎng)度均取為2400mm。

（2）錨桿直徑的確定

錨桿直徑可由桿體承載能力與錨固力等強(qiáng)度原則確定，其表達(dá)式為：

式中：

d-錨桿直徑，mm；

Q-錨桿拉拔力，可取60kN；

σt-桿體設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，取420MPa。

代入式（4），可得錨桿直徑為：

考慮一定安全系數(shù)，頂板與兩幫錨桿直徑均取為22mm。

（3）錨桿間排距的確定

錨桿排距與錨桿長(zhǎng)度有關(guān)，應(yīng)滿足：

式中：

Dr-錨桿排距，m；

L-錨桿長(zhǎng)度，取2.4m。

代入式（5），可得：

Dr≤ 0.5×2.4=1.2m。

考慮一定安全系數(shù)，頂板和兩幫的錨桿排距均取為1.0m。

頂錨桿間距可由式（6）表示：

式中：

Ds1-頂錨桿間距，m；

K-安全系數(shù)，取1.5；

γ-懸吊巖層平均容重，取23kN/m3。

其余符號(hào)含義與前面相同。將數(shù)據(jù)代入，可得：因此，頂錨桿間距可取為1.8m。幫錨桿間距可由式（7）表示：

式中：

Ds2-幫錨桿間距，m；

N-幫錨桿設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，N=Ps/S=60000/3.14×13.52=104.8MP；

Ps-錨桿錨固力，取60kN；

S-鉆孔面積，取直徑為27mm；

k1-應(yīng)力集中系數(shù)，矩形斷面可取2.5；

Qs-兩幫側(cè)壓值，取100kN。

代入式（7），可得：

因此，幫錨桿間距可取為0.9m。

綜合以上分析，可知頂錨桿間排距應(yīng)為1.8×1.0m，幫錨桿間排距為0.9×1.0m。

（4）錨索參數(shù)的確定

錨索長(zhǎng)度由四部分組成，其表達(dá)式為：

式中：

La-錨固長(zhǎng)度，m；

Lb-不穩(wěn)的巖層厚度，取1.8m；

Lc-上托盤及鎖具的厚度，取0.2m；

Ld-外露長(zhǎng)度，取0.35m。

其中，錨固長(zhǎng)度La可由下式確定：

式中：

n-富余系數(shù)，取2.0；

D-錨索直徑，取21.6mm；

f1-錨索抗拉強(qiáng)度，取1860N/mm2；

f2-錨固劑粘合強(qiáng)度，取10N/mm2。

代入式（9）可得：

因此，錨索長(zhǎng)度為：

考慮近距離煤層層間距平均為4.61m，取頂錨索長(zhǎng)度為4.5m。

錨索排距與長(zhǎng)度關(guān)系可由式（10）表示：

式中：

D-錨索排距，m。

代入可得：

D≤ 4500/2=2250mm。

考慮頂板較為破碎，可取錨索排距為1.0m，每排布置3根，錨索間距為1.8m，中間錨索垂直頂板布置，兩側(cè)錨索分別向兩幫傾斜15°布置。

由于巷道兩幫滾幫嚴(yán)重，考慮打入幫錨索支護(hù)，為節(jié)約支護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，僅在保險(xiǎn)幫每排第二根打入直徑為21.6mm，長(zhǎng)度為4.0m的錨索，錨索排距設(shè)為2.0m。

（5）其他支護(hù)設(shè)計(jì)

巷道頂板鋪設(shè)6#鋼筋網(wǎng)，尺寸為2.2×1.1m，兩幫同樣鋪設(shè)6#鋼筋網(wǎng)，尺寸為2.5×1.1m。頂板鋼帶選用槽鋼鋼帶，兩幫鋼帶選用鋼筋網(wǎng)帶。

4 確定支護(hù)方案

回采巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式，錨桿均采用Ф22×2400mm的螺紋鋼樹脂錨桿，頂錨桿間排距為1.8×1.0m，幫錨桿間排距為0.9×1.0m，頂板錨索采用Ф21.6×4500mm的鋼絞線錨索，間排距為1.8×1.0m，幫錨索采用Ф21.6×4000mm的鋼絞線錨索，排距為2.0m，巷道金屬網(wǎng)采用6#鋼筋網(wǎng)，頂網(wǎng)尺寸為2.2×1.1m，幫網(wǎng)尺寸為2.5×1.1m。

圖1 工作面回采巷道支護(hù)斷面圖（單位：mm）