李智生

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)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°?；卷敒镵6 粉砂巖，均厚3.93 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚1.94 m；直接底為細(xì)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(hù)理論分析及關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1 巷幫破壞深度

（1）巷幫破壞深度按照式（1）計(jì)算確定：

式中：C為巷幫破壞深度，m；Kσ為應(yīng)力集中系數(shù)；σcc為被巷道切割的煤層單軸抗壓強(qiáng)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(nèi)摩擦角。

應(yīng)力集中系數(shù)Kσ可由式（2）確定：

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

式中：x為煤柱實(shí)際寬度，取26 m；σrm為基本頂單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度為12 MPa，泊松比為0.38，內(nèi)摩擦角為50°，基本頂單軸抗壓強(qiáng)度為60 MPa。將上述參數(shù)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(zhì)巖層時(shí)，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(jì)算得到為1.43 m；λ為側(cè)壓系數(shù)，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量獲得，λ=0.69；σcr為頂板巖層單軸抗壓強(qiáng)度，取直接頂巖層的單軸抗壓強(qiáng)度40 MPa；Ky為頂板巖層完整系數(shù)，按照式（5）確定。

式中：D1為頂板巖層節(jié)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(jì)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(jì)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(qiáng)度，為60 MPa；其余各參數(shù)均已前述，代入可得Qr=187.31 kN/m。

2.5 頂板錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

（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(jù)現(xiàn)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(shè)計(jì)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(jù)桿體承載能力和錨固力Q等強(qiáng)度原則，按照式（10）確定：

式中：σt為錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度，也是桿體的承載能力。據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，Q=105 kN，σt=500 MPa，直接代入可得錨桿桿體直徑為16.28 mm，根據(jù)螺紋鋼型號(hào)，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(shù)，一般取2～5，這里取3。將前述上述參數(shù)代入式（11）中，可得D=0.94 m，取1.0 m。

（4）每排錨桿數(shù)量

每排錨桿數(shù)量按照式（12）確定：

式中K″為安全系數(shù)，一般取2～5，這里取3。可得N=5.35，取整N=6。

（5）支護(hù)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(shí)在巷道中部增加一對(duì)長度5.3 m 的錨索，采用鋼帶連接錨桿、錨索，再鋪設(shè)金屬網(wǎng)防止表面煤巖層風(fēng)化。確定巷道頂板為“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)”、兩幫為“錨桿+金屬網(wǎng)”的支護(hù)形式。

（6）巷道支護(hù)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(wǎng)配合錨桿、錨索支護(hù)。錨索和錨桿全部打進(jìn)鋼帶內(nèi)。

兩幫采用三排規(guī)格為Φ20 mm×2100 mm 螺紋鋼錨桿加菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，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(jiān)測(cè)

（1）巷道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在72911 工作面順槽掘進(jìn)過程中，兩順槽頂板和兩幫沿巷道長度方向布置3 個(gè)巷道監(jiān)測(cè)站，分別測(cè)量頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟?。其? 號(hào)觀測(cè)站距離大巷100 m，2#和3#分別距離1#測(cè)點(diǎn)50 m、100 m。

（2）巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

如圖2 所示為1 號(hào)測(cè)站在掘進(jìn)期間巷道表面變形。在掘進(jìn)面超過預(yù)設(shè)測(cè)站位置后，確定測(cè)量點(diǎn)位，標(biāo)記并平整點(diǎn)位，每天對(duì)測(cè)站的點(diǎn)位進(jìn)行巷道兩幫和頂?shù)装遄冃瘟康臏y(cè)量，共監(jiān)測(cè)近50 d。

從圖2 可知，在測(cè)量期內(nèi)巷道頂?shù)装遄冃瘟靠偣布s為134 mm，兩幫移近量總共約為55 mm，頂?shù)鬃冃瘟看笥趦蓭汀Ｕw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(wěn)定。在線性增加階段，頂?shù)装遄冃嗡俾始s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(wěn)定階段。由此確定，上述支護(hù)方案可以有效維護(hù)巷道圍巖，滿足生產(chǎn)要求。

圖1 巷道支護(hù)方案圖

圖2 巷道表面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)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(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方案。經(jīng)監(jiān)測(cè)，巷道頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭鸵平磕軌驖M足安全生產(chǎn)需要。