綜采放頂煤工作面順槽支護優化設計

李 云

（山西長治經坊莊子河煤業有限公司，山西 長治 047100）

經坊莊子河煤業礦井為年生產能力120萬t的綜合機械化大型礦井，現開采3#煤層，采用綜放開采方式。工作面運輸順槽在施工過程中局部頂板出現冒頂等現象，頂部錨桿被拉斷，頂板最大下沉量可達到815mm，兩幫出現片幫現象，幫部移近量最大可達到623mm，幫部錨桿被拉斷，托盤被壓彎，最大片幫深度可達到506mm，嚴重制約巷道成型與快速掘進，影響礦井安全高效生產。通過理論計算，對綜放面回采巷道的支護參數進行合理優化設計，保障綜放工作面生產的正常進行。

1 概況

3#煤層綜放工作面賦存穩定，厚度4.05～4.80m，平均厚4.50m，煤層結構簡單，層位穩定，含0～1層泥巖夾矸；直接頂板為灰黑色粉砂巖、砂質泥巖和泥巖，底板為灰黑色砂質泥巖或泥巖。采高2.2m，放頂煤高度2.05～2.60m，采放比為1:0.93～1:1.18，頂板管理采用全部垮落法。

工作面運輸順槽為矩形斷面，斷面尺寸5.5m×3.5m，原支護參數：頂、幫錨桿采用Φ20×2300mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為700×700mm，每排共布置8根錨桿；錨索為Φ15.24×7100mm鋼絞線，錨索間排距為1400×2100mm，布置方式為“3-3”布置；鋼筋網選用Φ6mm的鋼筋焊接而成，網格為100×100mm，采用16號鐵絲隔空相連，搭接長度為100mm，見圖1。

2 理論計算支護參數

2.1 經驗公式計算

利用經驗公式對巷道支護參數進行計算：

錨桿長度：

錨桿間距：

錨桿直徑：

式中：

L—錨桿總長度，m；

N—圍巖影響系數；

W—巷道或硐室跨度，m。

經計算，錨桿長度L為2.24m，錨桿間距M不大于0.82m，錨桿直徑d為20.4m。

圖1 原支護方案（單位：mm）

2.2 圍巖松動圈支護計算

錨桿的有效長度LP為：

式中：

b-組合拱厚度，m；

a-錨桿間排距，取0.7m；

α-錨桿控制角，取45°。

錨桿長度：

式中：

L-錨桿總長度，m；

L1-錨桿外露長度，通常取0.1～0.15m；

L2-錨桿大于圍巖松動圈的長度，通常取0.3m。

因該礦3#煤層綜放工作面順槽圍巖變形較大，根據規程劃分為V級圍巖，因此，組合拱厚度b取1.5m，則按上式計算得錨桿長度L為2.4m。

2.3 極限平衡區理論和組合拱理論計算

（1）錨桿參數確定

①支護范圍確定

最大非彈性區半徑：

式中：

P-原巖應力，取14.8MPa；

r0-等效圓半徑，m；

C-圍巖內聚力，取429MPa；

φ-煤層內摩擦角，取34.36°。

等效圓半徑 計算：

式中：

a-錨桿排距，取巷道跨度的一半，m；

h-巷道的高度，m。

幫部非彈性區深度

頂板非彈性區深度

冒落拱高度b：

式中：

f-巖層普氏系數，取1.85。

冒落拱內錨桿承受煤體重量G1：

式中：

K1-采動系數；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

S-冒落拱內煤巖體截面積，m2；

α-錨桿排距，m。

②頂錨桿參數計算

錨固長度L1：

式中：

d-頂錨桿鉆孔直徑，m；

τ-巖體與頂錨桿錨固劑的抗剪強度，取煤層單軸抗壓強度十二分之一，MPa；

m-安全系數，取值1.2～1.5。

錨桿長度Ld為：

③幫錨桿參數計算

幫錨桿長度Lb為：

（2）錨索參數確定

根據懸吊理論可知，錨索作用為懸吊上部巖體重量，則上部巖體重量G2：

錨固長度：

式中：

LC-錨索錨固長度，m。

錨索長度LS為：

式中：

La-錨索外露長度，m；

Lz-錨索自由段長度，m；

Lc-錨索錨固段長度，m。

代入計算得，頂板錨桿參數為Φ20×2800mm，間排距為700×700mm；幫錨桿參數為Φ20×2300mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700×700mm；錨索計算所得長度為8800mm。

3 優化支護方案的確定

通過以上綜合計算，確定新支護方案為：

（1）頂板支護：采用Φ20×2800mm的左旋螺紋鋼筋，間排距為700×700mm；頂板每排共布置8根錨桿，兩邊角錨桿與豎直方向夾角為15°，其余錨桿與頂板垂直布置；頂板錨索為Φ21.8×8800mm的鋼絞線，間排距為1200×1400mm，每排5根錨索垂直于頂板布置。

（2）兩幫支護：幫部錨桿采用Φ20×2300mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700×700mm；兩幫各布置5根錨桿，邊角錨桿與豎直方向夾角為75°，其余錨桿與兩幫垂直布置。

4 支護效果

在工作面運輸順槽迎頭布置試驗段，對頂板離層進行監測，分別對頂板深度lm、2m、2.5m、3m、5m、7m、8 m、8.5m、9m九個點進行監測。監測結果如下圖2。

圖2 頂板離層變化曲線

對綜放工作面順槽監測數據進行處理，發現試驗段頂板最大下沉量為143mm，相較原支護方案減少了近80%，支護優化效果顯著，圍巖變形得到了有效控制。