堅硬頂板條件下巷道支護設計

文/唐和忠牛勝建

（作者系山西煤炭運銷集團盛泰煤業有限公司礦長）

一、概況

山西煤炭運銷集團盛泰煤業有限公司設計生產能力120 萬t/a，井下中央大巷、采區巷道均布置在主采的15# 煤層中， 沿煤層頂板掘進，15# 煤層直接頂板為K2 灰巖， 厚度在6~10m 之間，K2 灰巖下偶見厚度不足20cm 的炭質泥巖作為煤層偽頂，開采時隨采隨落。 K2 灰巖在大部地段為硬質巖，其密度為2.7g/cm3，含水率為0.3%，平均飽和極限抗壓強度為69.2MPa，平均天然極限抗壓強度為169.3MPa， 內摩擦角為43°24′， 凝聚力為16.2MPa， 切線模量為0.4×105MPa， 變形系數為0.43×105MPa，泊松比為0.16，普氏硬度系數為16.9；部分地段的K2 灰巖底部，厚度1m 左右，泥質含量增高， 巖石強度降低， 其密度為2.72g/cm3，含水率為0.22%，飽和極限抗壓強度平均值為52.52MPa。

設計支護時， 采用工程類比法和理論計算法相結合， 主要包括巷道地質與生產條件及地質力學評估結果、 錨桿支護形式設計、錨桿支護參數設計、錨桿支護材料選擇、錨桿支護施工工藝、錨桿支護礦壓監測設計、巷道圍巖復雜地段支護設計、采動影響時巷道超前支護設計等內容。

二、巷道幫頂錨固參數

1．巷道幫錨固參數

巷道設計凈寬5.0m，凈高3.5m。 沿煤層頂板掘進， 頂板巖層平均容重取27KN/m3，頂板巖體的普氏系數取11.0，兩幫煤巖體普氏系數取2.0，內摩擦角取30°，單根幫錨桿錨固力取80KN，樹脂藥卷粘結強度取1.0MPa。 則兩幫錨固參數確定如下：

（1） 兩幫所需要的錨固強度：P=q [(1－sinφ)/(1 +sinφ)] =215.04 ×[(1 －sin30° )/（1 +sin30°）]=71.68KPa

其中，q 為兩幫可承載錨固體所受載荷集 度：q=[(b＇－b)/2l3][∑h+(b＇/2f)]γ=[(9.04－5.0 ）/（2×0.7）](0.5+9.04/4)×27=215.04KPa

b＇ 為 巷 道 等 效 跨 度：b＇ =5.0 +2 ×3.5tan30°≈9.04m兩幫可承載錨固體厚度：l3=（1/5）h0=1/5×3.5=0.7m

（2） 錨桿布置密度：n=p/p0=71.68/80=0.896

幫錨桿布置間排距：a=(1/n)1/2=(1/0.896)1/2≈1.056m

根據巷道斷面參數， 取幫錨桿排距為1.2m，間距為1.2m，每排3 根錨桿，上下幫錨桿距離頂底板0.55m，并且分別向頂底板傾斜約20°。

(3)錨桿長度為：l=l1+l2+l3+l4+l5

其中， 黏錨力積聚段長度：l1=1/2×[P0/(πφC0)]=1/2×[80/(3.14×0.028×1000)]=0.45m

錨固端錨桿影響區未重疊區厚度為：

l2=(a/2)tan45°=1.1/2×1=0.55m

錨尾端錨桿影響區未重疊區厚度為：l4=[(a－0.1)/2]tan45°=0.5m

錨桿外露長度為l5，根據錨桿施工工藝，一般取0.05m。

錨桿總長度l=l1+l2+l3+l4+l5=0.45+0.55+0.7+0.5+0.05=2.25m，取為1.8m。

（4）錨固長度：L錨=2l1=0.9m

（5）錨固劑的選取。 根據設計，藥卷長度L藥=0.74m， 選取樹脂藥卷K2335 和Z2360各一支。

2．巷道頂板錨固參數

（1）頂板支護載荷集度：q=[∑h+(2kM+b)/2f] γ =[0.5 +(2 ×3.5 ＋9.04)/(2 ×11)] ×27 =33.19KPa

（2） 頂板錨固布置密度：n=(KK＇q)/F=(2×

1.2 ×33.19)/100=0.797

頂錨桿布置間排距：a=(1/n)1/2=(1/0.797)1/2≈

1.12 m

根據斷面參數， 取頂錨桿排距為1.2m，間距為1.1m，每排5 根錨桿，靠近兩幫的錨桿距離巷幫0.30m，并且分別向巷幫傾斜約20°。

（3）錨桿長度的確定：頂板錨桿長度為

l=l1+l2+l3+l4+l5=0.57+0.55+0.7+0.5+0.05=2.37m，取為2.2m。

式中，l1為錨桿外露長度；l2為黏錨力積聚段長度；l3為可承載錨固結構厚度；l4為錨固段錨固力未重疊區高度；l5為圍巖外表面錨固力未重疊區高度。

（4）錨固長度的確定：根據頂板巖層錨固條件，錨固長度為：L錨=1.14m

（5）錨桿錨固劑的選取：根據設計，藥卷長度：L藥=0.94m， 選取樹脂藥卷K2335 和Z2360 各一支。

三、錨固支護設計方案

根據以上理論計算分析，結合工程類比法，確定錨桿支護設計。

支護方式：錨桿+鋼筋焊結網；

表面封閉方式：噴射混凝土，噴射厚度

100mm；

錨桿材料：左旋螺紋鋼（25MnSi），頂錨桿Ф20×2200mm，幫錨桿Ф20×1800mm；

頂錨桿鉆孔深度2150mm， 外露50mm，排距1200mm，間距1100mm，靠近兩幫的頂錨 桿 向 兩 幫 傾 斜20°， 錨 固 劑：K2335 和Z2360 各一支；

幫錨桿鉆孔深度1750mm， 外露50mm，排距1200mm，間距1200mm，靠近頂板和底板的幫錨桿向兩幫傾斜20°， 錨固劑：K2335和Z2360 各一支。

四、結論

采用理論計算法和工程類比法相結合，對堅硬頂板巷道進行支護設計，對巷道地質與生產條件及地質力學評估結果、錨桿支護形式設計、錨桿支護參數設計、錨桿材料選擇等進行合理設計，為盛泰煤業礦井巷道支護提供技術保障。 但是礦井地質條件千變萬化，隨著地質條件的變化，還需及時調整支護參數，特別注重錨桿、錨索的支護質量檢查與受力監測，在施工經驗和監測資料的積累基礎上，不斷總結經驗，進一步完善盛泰煤業巷道錨固設計方法及支護參數的選取。