李 云

（山西長治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

經(jīng)坊莊子河煤業(yè)礦井為年生產(chǎn)能力120萬t的綜合機(jī)械化大型礦井，現(xiàn)開采3#煤層，采用綜放開采方式。工作面運(yùn)輸順槽在施工過程中局部頂板出現(xiàn)冒頂?shù)痊F(xiàn)象，頂部錨桿被拉斷，頂板最大下沉量可達(dá)到815mm，兩幫出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，幫部移近量最大可達(dá)到623mm，幫部錨桿被拉斷，托盤被壓彎，最大片幫深度可達(dá)到506mm，嚴(yán)重制約巷道成型與快速掘進(jìn)，影響礦井安全高效生產(chǎn)。通過理論計(jì)算，對綜放面回采巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障綜放工作面生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

1 概況

3#煤層綜放工作面賦存穩(wěn)定，厚度4.05～4.80m，平均厚4.50m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，層位穩(wěn)定，含0～1層泥巖夾矸；直接頂板為灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖，底板為灰黑色砂質(zhì)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(yùn)輸順槽為矩形斷面，斷面尺寸5.5m×3.5m，原支護(hù)參數(shù)：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(wǎng)選用Φ6mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)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(jì)算支護(hù)參數(shù)

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

利用經(jīng)驗(yàn)公式對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(shù)；

W—巷道或硐室跨度，m。

經(jīng)計(jì)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(hù)方案（單位：mm）

2.2 圍巖松動圈支護(hù)計(jì)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(jù)規(guī)程劃分為V級圍巖，因此，組合拱厚度b取1.5m，則按上式計(jì)算得錨桿長度L為2.4m。

2.3 極限平衡區(qū)理論和組合拱理論計(jì)算

（1）錨桿參數(shù)確定

①支護(hù)范圍確定

最大非彈性區(qū)半徑：

式中：

P-原巖應(yīng)力，取14.8MPa；

r0-等效圓半徑，m；

C-圍巖內(nèi)聚力，取429MPa；

φ-煤層內(nèi)摩擦角，取34.36°。

等效圓半徑 計(jì)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(qū)深度

頂板非彈性區(qū)深度

冒落拱高度b：

式中：

f-巖層普氏系數(shù)，取1.85。

冒落拱內(nèi)錨桿承受煤體重量G1：

式中：

K1-采動系數(shù)；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

S-冒落拱內(nèi)煤巖體截面積，m2；

α-錨桿排距，m。

②頂錨桿參數(shù)計(jì)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(qiáng)度，取煤層單軸抗壓強(qiáng)度十二分之一，MPa；

m-安全系數(shù)，取值1.2～1.5。

錨桿長度Ld為：

③幫錨桿參數(shù)計(jì)算

幫錨桿長度Lb為：

（2）錨索參數(shù)確定

根據(jù)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(jì)算得，頂板錨桿參數(shù)為Φ20×2800mm，間排距為700×700mm；幫錨桿參數(shù)為Φ20×2300mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700×700mm；錨索計(jì)算所得長度為8800mm。

3 優(yōu)化支護(hù)方案的確定

通過以上綜合計(jì)算，確定新支護(hù)方案為：

（1）頂板支護(hù)：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(hù)：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(hù)效果

在工作面運(yùn)輸順槽迎頭布置試驗(yàn)段，對頂板離層進(jìn)行監(jiān)測，分別對頂板深度lm、2m、2.5m、3m、5m、7m、8 m、8.5m、9m九個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如下圖2。

圖2 頂板離層變化曲線

對綜放工作面順槽監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)段頂板最大下沉量為143mm，相較原支護(hù)方案減少了近80%，支護(hù)優(yōu)化效果顯著，圍巖變形得到了有效控制。