毛望平

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

辛置煤礦位于山西省霍州市辛置鎮(zhèn)，目前主采的2#煤層，煤層厚度為3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤層傾角2°～6°，平均傾角為4°。2#煤層直接頂為均厚3.0 m 的泥巖、砂泥巖互層，老頂為均厚7.2 m 的K8中細砂巖，直接底為均厚4.5 m的泥巖，老底為均厚6.5 m 的中砂巖，煤層穩(wěn)定可采，平均埋深187 m，頂?shù)装鍘r層情況如表1 所示。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r層情況

2 厚煤層回采巷道錨桿支護參數(shù)研究

2.1 錨桿長度設(shè)計

辛置礦2-208 回采巷道斷面形狀為矩形，巷道斷面尺寸為寬×高=4.8 m×3.9 m。 理想條件下，矩形斷面的回采巷道圍巖彈性狀態(tài)及非彈性狀態(tài)范圍如圖1 所示。

圖1 理想條件下矩形巷道圍巖力學狀態(tài)分布

非彈性區(qū)域等效圓半徑可由下式計算：

式中：r1為非彈性區(qū)等效圓半徑，m；P為圍巖地應力，MPa；C為煤層粘聚力，0.5 MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，37°。

回采巷道頂板的非彈性區(qū)范圍計算公式為：

式中：h為巷道高度，3.9 m。

回采巷道兩幫的非彈性區(qū)范圍計算公式為：

a2=r1-b=1.4 m

式中：b為巷道寬度的一半，2.4 m。

根據(jù)錨桿支護理論可知錨桿長度可由下式計算：

L= a +L0+L1

式中：a 為巷道圍巖非彈性區(qū)范圍，其中頂板a1=1.85 m，兩幫a2=1.4 m；L0為錨桿外露長度，0.2 m；L1為錨桿錨固端長度，0.5 m。

計算可得頂板錨桿長度L頂=2.55 m，兩幫錨桿長度L幫=2.1 m，則頂錨桿長度可設(shè)計為2.6 m、2.8 m 和3.0 m，幫錨桿長度可設(shè)計為2.2 m、2.4 m 和2.6 m。

2.2 錨桿間排距設(shè)計

如圖2 所示，依據(jù)錨桿錨固支護理論，錨桿加固拱范圍與錨桿間排距之間滿足以下關(guān)系式：

圖2 圍巖錨固體壓縮帶

式中：b 為加固拱寬度，1.2 m；L 為錨桿的有效長度，分別取2.0 m、2.2 m 和2.4 m；α 為錨桿的控制角，45°；α′為錨桿的間排距，m。

通過上式計算可得錨桿間排距為0.8 m、1.0 m 和1.2 m。

2.3 錨桿直徑設(shè)計

按照錨桿支護強度原則[1-2]，錨桿直徑可由下式計算：

式中：d為錨桿直徑，mm；Q為錨桿錨固力，50 kN；σt為錨桿抗拉強度，335 MPa。

計算可得錨桿直徑d=13.58 mm，因此錨桿直徑可設(shè)計為16 mm、18 mm 和20 mm。

2.4 錨索支護參數(shù)設(shè)計

錨索支護作用原理[3-5]如圖3 所示。

圖3 錨索懸吊作用原理

根據(jù)現(xiàn)場頂板巖層賦存情況及相鄰工作面支護效果，錨索錨固端應錨固在基本頂K8中細砂巖中，錨索直徑設(shè)計為17.8 mm，長度設(shè)計為8.3 m，錨索間距設(shè)計為1.6 m。

3 厚煤層回采巷道支護效果分析

3.1 設(shè)計方案

按照前述理論分析，綜合考慮現(xiàn)場地質(zhì)條件及相鄰巷道支護效果，2-208 回采巷道設(shè)計采用“錨桿+ 錨索+ 金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護方案[1-5]，支護參數(shù)如下： 頂錨桿選用φ20 mm×3 000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，每排布置6 根錨桿，巷道肩角位置錨桿與豎直方向夾角為15°，其余錨桿垂直于頂板布置。錨索選用φ17.8 mm×8 300 mm 的鋼絞線，間排距為800 mm×1600 mm，每排在巷道頂板中部位置布置兩根錨索。 兩幫選用φ18 mm×2 400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×800 mm，每幫布置4 根錨桿。 為提升錨桿支護的整體性，選用5 000 mm×280 mm×4 mm 的W 鋼帶連接。

3.2 工業(yè)性試驗

為了解支護效果，在2-208 回風巷道距離開切眼50 m、100 m、150 m 三個位置布置綜合測站，分別對錨桿錨固力、頂板離層量、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量進行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 錨桿錨固力試驗結(jié)果

圖5 巷道變形現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

在2-208 回風巷監(jiān)測范圍內(nèi)，隨機選取16 根錨桿進行拉拔試驗，其中頂錨桿和幫錨桿各8 根，如圖5 所示。 拉拔試驗結(jié)果表明，頂錨桿錨固力均超過幫錨桿的錨固力，頂錨桿錨固力基本保證超過80 kN，而幫錨桿錨固力基本保證超過60 kN，錨桿錨固力滿足現(xiàn)場支護要求。

為準確了解頂板離層情況，分別監(jiān)測錨桿錨固范圍內(nèi)2.5 m 位置和錨固范圍外10 m 位置的離層情況，監(jiān)測結(jié)果如圖5（a）和5（b）所示，錨固范圍內(nèi)離層量僅為7 mm，而錨固范圍外離層量約為前者的兩倍，也僅為14 mm，表明支護效果良好，有效地防止了頂板巖層離層現(xiàn)象的發(fā)生。 由圖5（c）和5（d）可知，巷道兩幫移近量最大值達80 mm，頂?shù)装逡平孔畲笾颠_70 mm，兩幫變形量略大于頂?shù)装遄冃瘟俊?總體來看，巷道圍巖變形量不大，滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語

以辛置煤礦2-208 工作面回采巷道為工程背景，采用理論分析、工程類比和數(shù)值模擬的方法，對厚煤層回采巷道支護方式進行了設(shè)計，確定采用“錨桿+ 錨索+ 金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護方案進行巷道支護。 通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗，巷道變形量較小，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。