72911 工作面巷道錨桿支護合理參數的確定

李智生

（山西焦煤西山煤電集團公司，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1375 m，傾斜長249 m，煤層均厚2.3 m，傾角平均6°。基本頂為K6 粉砂巖，均厚3.93 m；直接頂為砂質泥巖，均厚1.94 m；直接底為細粒砂巖，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 錨桿支護理論分析及關鍵參數的確定

2.1 巷幫破壞深度

（1）巷幫破壞深度按照式（1）計算確定：

式中：C為巷幫破壞深度，m；Kσ為應力集中系數；σcc為被巷道切割的煤層單軸抗壓強度，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為煤層內摩擦角。

應力集中系數Kσ可由式（2）確定：

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

式中：x為煤柱實際寬度，取26 m；σrm為基本頂單軸抗壓強度；h為采高，取2.3 m；hi為直接頂厚度，取1.94 m。煤層單軸抗壓強度為12 MPa，泊松比為0.38，內摩擦角為50°，基本頂單軸抗壓強度為60 MPa。將上述參數代入公式（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

頂板為均質巖層時，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，由前述計算得到為1.43 m；λ為側壓系數，根據地應力測量獲得，λ=0.69；σcr為頂板巖層單軸抗壓強度，取直接頂巖層的單軸抗壓強度40 MPa；Ky為頂板巖層完整系數，按照式（5）確定。

式中：D1為頂板巖層節理間距，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為老頂單軸抗壓強度，為60 MPa；其余各參數均已前述，代入可得Qr=187.31 kN/m。

2.5 頂板錨桿參數設計

（1）錨桿長度

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

根據現有實踐經驗，錨固段長度取0.8 m。錨固段長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，設計巷道高度為3.0 m，頂板破壞高度為1.28 m，錨桿有效長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，錨桿長度L≥2.08 m，取L=2.1 m。

（2）錨桿桿體直徑

錨桿直徑d根據桿體承載能力和錨固力Q等強度原則，按照式（10）確定：

式中：σt為錨桿桿體的抗拉強度，也是桿體的承載能力。據實踐經驗，Q=105 kN，σt=500 MPa，直接代入可得錨桿桿體直徑為16.28 mm，根據螺紋鋼型號，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，一般取2～5，這里取3。將前述上述參數代入式（11）中，可得D=0.94 m，取1.0 m。

（4）每排錨桿數量

每排錨桿數量按照式（12）確定：

式中K″為安全系數，一般取2～5，這里取3。可得N=5.35，取整N=6。

（5）支護形式

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，施工時在巷道中部增加一對長度5.3 m 的錨索，采用鋼帶連接錨桿、錨索，再鋪設金屬網防止表面煤巖層風化。確定巷道頂板為“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網”、兩幫為“錨桿+金屬網”的支護形式。

（6）巷道支護方案

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

兩幫采用三排規格為Φ20 mm×2100 mm 螺紋鋼錨桿加菱形金屬網支護，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 巷道變形監測

（1）巷道變形監測點布置

在72911 工作面順槽掘進過程中，兩順槽頂板和兩幫沿巷道長度方向布置3 個巷道監測站，分別測量頂底板移近量和兩幫變形量。其中1 號觀測站距離大巷100 m，2#和3#分別距離1#測點50 m、100 m。

（2）巷道變形監測結果分析

如圖2 所示為1 號測站在掘進期間巷道表面變形。在掘進面超過預設測站位置后，確定測量點位，標記并平整點位，每天對測站的點位進行巷道兩幫和頂底板變形量的測量，共監測近50 d。

從圖2 可知，在測量期內巷道頂底板變形量總共約為134 mm，兩幫移近量總共約為55 mm，頂底變形量大于兩幫。整體看，在巷道形成后，巷道表面變形量幾乎呈線性增加，約35 d 后趨于穩定。在線性增加階段，頂底板變形速率約為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，巷道變形處于穩定階段。由此確定，上述支護方案可以有效維護巷道圍巖，滿足生產要求。

圖1 巷道支護方案圖

圖2 巷道表面變形監測結果

4 結論

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、長度和間排距，采用“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網”聯合支護方案。經監測，巷道頂底板變形量和兩幫移近量能夠滿足安全生產需要。