劉曉春

（晉能控股裝備制造集團(tuán)華越機(jī)械有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤礦安全一直以來(lái)是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，為保證巷道支護(hù)的安全，人們對(duì)頂板及圍巖的支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了無(wú)數(shù)的探索與求證。錨桿支護(hù)在很大程度上節(jié)約了支護(hù)材料，降低了巷道建設(shè)成本，然而在礦井實(shí)際應(yīng)用中，錨固支護(hù)的參數(shù)，很多礦井依賴經(jīng)驗(yàn)確定數(shù)值，而缺乏科學(xué)、精確的計(jì)算與校核。鑒于此，筆者進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和歸納。針對(duì)某礦1503 皮帶順槽巷道的斷面尺寸、煤層頂?shù)装鍘r層分布情況，對(duì)其進(jìn)行錨固支護(hù)設(shè)計(jì)與校核全過(guò)程。

1 煤層概況

該煤層處于太原組下方位置，層厚約為0.60 m，平均傾角為5°，上距12 號(hào)煤層15.35～43.50 m，平均33.14 m。煤層含有一層夾矸，煤層呈塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，全區(qū)賦存局部可采，發(fā)熱量（Qgr.d）13.60～28.71 MJ/kg，平均22.93 MJ/kg。頂板為黑色、塊狀含有植物化石的砂質(zhì)泥巖；K2 為灰黑色塊狀的石灰?guī)r，質(zhì)地堅(jiān)硬，脆性強(qiáng)；煤層，黑色塊狀，層理發(fā)育；其直接頂板為厚度4.89 m 黑色的砂質(zhì)泥巖，細(xì)粒塊狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)硬，性脆：中間為煤層，黑色塊狀，層理發(fā)育，含矸厚度0.33 m；直接底為灰色且質(zhì)地柔軟的塊狀泥巖，內(nèi)部有植物化石；老底為灰色且易風(fēng)化的塊狀砂巖粉砂巖。具體情況詳見(jiàn)表1。

表1 煤（巖）層頂?shù)装迩闆r

2 巷道頂板壓力、側(cè)幫壓力計(jì)算

1503 皮順巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面為寬×高=5.1 m×3.05 m，為矩形斷面。1503 皮順頂板泥巖厚度9.53 m。底板直接底為6.14 m 的灰黑色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，質(zhì)軟易破碎；老底為16.26 m 灰色塊狀的砂巖粉砂巖，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，易風(fēng)化。考慮節(jié)理裂隙影響，15 號(hào)煤層的普氏系數(shù)fm取1，巖層的平均加權(quán)普氏系數(shù)fb取1.5，巖層的似內(nèi)摩擦角θb=arctan（fb）=56.3°。巷道最大片幫深度按式（1）計(jì)算：

式中：c 為巷道最大片幫深度，m；h 為巷道高度，取3.05 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算得：c≈0.92 m。

頂板巖層的穩(wěn)定性差，在洞頂巖石的壓力作用下出現(xiàn)塌落，而兩側(cè)圍巖依然保持平衡，形成自然平衡拱，其高度按式（2）計(jì)算：

式中：hg為自然平衡拱高，m；a′為巷道掘進(jìn)寬度之半，取2.55 m；fd為頂板普氏系數(shù)。

考慮頂板節(jié)理裂隙影響系數(shù)，取頂板加權(quán)普氏系數(shù)fd=2 計(jì)算得，hg=1.735 m。

巷道頂壓按式（3）計(jì)算：

式中：Qd為巷道頂板的壓力，kN/m；γd為頂板巖石容重，Ⅱ級(jí)巖石容重為25～26 kN/m3，此處取26 kN/m3。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）計(jì)算得：Qd=417.4 kN/m。

巷道側(cè)壓按式（4）計(jì)算：

式中：Qc為巷道側(cè)壓，kN/m；γb為巷幫的巖石容重，取26 kN/m3。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）計(jì)算得：Qc=23.27 kN/m。

根據(jù)以上計(jì)算分析，頂板淺部巖層受層理裂隙影響，易導(dǎo)致裂隙擴(kuò)張或剪切滑移、斷裂等不利現(xiàn)象。兩側(cè)幫的巖石特性處在裂隙體和破碎體之間，容易造成片幫現(xiàn)象。片幫發(fā)生，會(huì)極大地影響側(cè)幫對(duì)頂板的支撐，從而使得巷道寬度增加、頂部變形增加，最后造成“頂板變形增加—片幫現(xiàn)象加劇—頂板變形”的惡性循環(huán)局面。

3 1503 皮順巷道宜采用的錨桿支護(hù)原理

3.1 頂板錨桿支護(hù)原則

鑒于頂板巖性特征為層狀和塊狀，極不連續(xù)，該巷道的頂部錨桿支護(hù)參照擠壓加固理論、組合梁理論和懸吊理論，三者相互結(jié)合確定錨固方式。首先通過(guò)錨桿排列布置使得頂板形成錨固梁、組合梁，并通過(guò)錨桿將頂部拱形載荷體懸吊于深層巖體結(jié)構(gòu)中[1]。

3.1.1 頂錨桿排間距確定

根據(jù)頂部錨桿懸吊的載荷大小初步確定錨桿間距a 與排距b，取a=b。錨桿懸吊巖石載荷G=a2hgγb=a2×1.735÷26=45.11a2。根據(jù)理論力學(xué)分析，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，錨桿懸吊巖體載荷等于其錨固力Q。

這里考慮其安全系數(shù)為K，那么存在以下關(guān)系：

錨桿采用鋼材型號(hào)Q335，即材質(zhì)屈服強(qiáng)度335 MPa；頂部和側(cè)幫均采用Φ18 mm 高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨固力≥97 kN，預(yù)緊力矩≥200 N·m。

現(xiàn)取Q=97 kN，K=2，計(jì)算得a2=1.08 m2。

由此可見(jiàn)，每根錨桿控制的頂板面積不應(yīng)大于1.08 m2。

綜上，若要保證1503 皮順巷頂板錨固安全系數(shù)大于2，頂錨桿間、排距須不大于1 m，故選排、間距均為1 m。

3.1.2 頂錨桿長(zhǎng)度確定

錨桿長(zhǎng)度按如下方法確定：

式中：l 為錨桿長(zhǎng)度，m；l1為錨固長(zhǎng)度，≥0.3 m；l2為錨桿有效長(zhǎng)度，m；l3為錨桿外伸出長(zhǎng)度，取0.1 m。

1503 皮順巷道的錨桿有效長(zhǎng)度按自然平衡拱高度1.735 m 確定，則l≥2.135 m。

根據(jù)擠壓加固理論、組合梁理論相結(jié)合的方式進(jìn)行，即通過(guò)錨桿支護(hù)使頂板形成錨固梁、組合梁。為使圍巖中形成穩(wěn)定有效的擠壓拱，需發(fā)揮錨桿的加固和組合作用。通過(guò)錨固使頂板形成整體柔性支護(hù)，很大程度上阻止巖體的初步變形與破壞，有力地提高圍巖的完整性和穩(wěn)定性，若錨桿長(zhǎng)度過(guò)小或錨桿間排距過(guò)大，則組合梁（拱）效果不明顯，則1503 皮順巷頂錨桿長(zhǎng)度取2.2 m 較為適宜[2]。

3.2 頂板錨索支護(hù)原則

3.2.1 錨索排距確定

考慮錨索補(bǔ)強(qiáng)，根據(jù)每根錨索懸吊載荷大小確定錨索間距a 與排距b，每排布置一根錨索，考慮到兩幫角錨桿的懸吊作用，錨桿的錨固力取97 kN，則錨索懸吊巖石載荷G=Qdb=（417-200）b 等于錨索的錨固力Q[3]?？紤]其安全系數(shù)K，存在以下關(guān)系：

1503 皮順巷施工錨索采用Φ17.8 mm，其錨固力≥300 kN。故錨索錨固力取Q=300 kN，安全系數(shù)取K=2，計(jì)算得b=0.69 m。

即巷道頂板錨索安全系數(shù)為2，每排布置1 根錨索，排距為0.69 m。如果每排布置1.5 根錨索，排距1.5b≈1 m，呈三花布置，如圖1 所示。

圖1 1503 皮帶順槽巷道頂板錨桿、錨索仰視圖（單位：mm）

3.2.2 錨索長(zhǎng)度確定

錨索必須將擠壓拱有效地錨固到深處穩(wěn)定巖層上，這樣才能起到安全支護(hù)的作用。其潛在冒落高約為巷道寬度的1 倍，則1503 皮順巷潛在的冒落高為5.1 m，錨固端長(zhǎng)度取1.5 m，則有效長(zhǎng)度不宜小于6.6 m。錨索的外露長(zhǎng)度約為0.25 m，則1503 皮順巷頂錨索長(zhǎng)度應(yīng)大于6.85 m，取6.9 m[4]。

3.3 側(cè)幫錨桿支護(hù)原則

3.3.1 幫錨桿排距的計(jì)算

根據(jù)巷道的巖性特征，側(cè)幫也用錨桿錨固方式比較合適。

錨桿間排距及數(shù)量根據(jù)每根幫錨桿抵抗的側(cè)壓載荷大小確定錨桿間距a 與排距b，取a=b，即側(cè)壓載荷G=a2Qc/3.0=a2×23.27÷3.0=7.76a2等于錨桿的錨固力Q?？紤]其安全系數(shù)K，存在以下關(guān)系式：

Q 取50 kN，K 取2，計(jì)算得：a2=3.22 m2。

由此可見(jiàn)：a 和b 均小于1.8 m，才能確保安全系數(shù)大于2。

3.3.2 幫錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算

l1≥0.3 m，l3取100 mm，錨桿有效長(zhǎng)度按最大片幫深度c=0.92 m，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）計(jì)算可得，幫錨桿長(zhǎng)度l≥1.42 m。

3.3.3 幫錨桿參數(shù)確定

若幫錨桿長(zhǎng)度過(guò)小或錨桿間排距過(guò)大，則組合梁（拱）效果不明顯。

考慮到巷幫煤巖較破碎，巷幫錨桿長(zhǎng)度取1.8 m，間、排距不宜大于1 m，取1 m。安全系數(shù)大于2，如圖2 所示。

圖2 1503 皮帶順槽巷道錨桿、錨索斷面視圖（單位：mm）

4 結(jié)語(yǔ)

巷道錨桿支護(hù)在煤礦安全生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，本文通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與數(shù)值校核，根據(jù)擠壓加固理論、組合梁理論和懸吊理論相結(jié)合的方式確定了某礦1503 皮帶順槽巷道頂板錨桿排間距1 m、長(zhǎng)度2.2 m，錨索每排布置1 根，錨索長(zhǎng)度6.9 m，呈三花布置。根據(jù)擠壓加固理論、組合梁理論相結(jié)合的方式確定側(cè)幫錨桿長(zhǎng)度1.8 m，排距1 m。經(jīng)過(guò)數(shù)值分析和確定，符合煤礦錨桿支護(hù)的實(shí)際，為類似條件煤礦巷道頂板側(cè)幫錨桿固定參數(shù)的確定提供了參考依據(jù)。