回采巷道圍巖支護方案的設計

張 軍

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，工作面巷道圍巖的壓力也隨著增加，導致巷道圍巖的變形量增大，因而對巷道圍巖的支護效果及質量提出了更高的要求和挑戰，而錨桿支護方式由于其支護效果好、操作簡單等優勢被廣泛應用于生產中。然而，在應用過程中發現錨桿支護各類參數的設計均依靠設計人員的經驗，造成巷道支護效果不佳或者過防護，導致由于巷道支護不到位的事故頻發、支護材料被大量浪費等問題[1]。因此，設計人員應對工作面巷道地質、水文以及煤層等特征進行充分研究后，通過理論計算+仿真分析的方法設計支護效果最佳的巷道圍巖支護方案。

1 工程背景

本文以西銘礦西部下組煤回風巷道為研究對象，采用理論計算+仿真驗證的手段對該工作面巷道的支護方案進行設計。西部下組煤回風巷道斷層、褶曲發育情況及分布如下。

褶曲：工作面中東部整體為單斜構造，東高西低，局部地段發育有小型背向斜構造，煤巖層傾角3°～7°，工作面西部整體呈盆狀構造，煤巖層傾角3°～10°，相對低點位于工作面巷道開口前3373m處。

斷層：據周邊8號煤資料及上覆2號煤巷揭露資料推測，該巷掘進中開口前218 m遇正斷層F8624（H=1.5 m），對掘進有一定影響，預計掘進中還將有斷層出現。斷層特征如表1所示。

陷落柱：因8號煤層陷落柱較發育，該巷在掘進中可能會揭露中小型陷落柱。

節理：據周邊8號煤資料分析，該面局部地段頂板節理比較發育，陷落柱、斷層附近構造節理較發育，對掘進有一定影響。

表1 斷層特征表

工作面無火成巖侵入及煤層分叉現象。

2 支護理論

根據不同支護對圍巖作用方式的不同，可將綜采工作面的巷道支護分為四大類[2]：一是支護作用于圍巖表面的支護方式，比如液壓支架、砌碹支護以及噴射混凝土等；二是支護不僅作用于圍巖表面，還作用為圍巖內部的支護方式，例如，目前應用效果最佳且應用最為廣泛的錨桿+錨索支護；三是通過對工作面巷道圍巖特性進行優化而達到對巷道圍巖加固的目的，比如向巷道圍巖注漿[3]；四是采用一定的應力控制技術降低巷道圍巖的應力。鑒于錨桿錨索支護效果最佳，對于西銘礦西部下組煤回風巷道工作面擬采用錨桿+錨索的聯合支護。

2.1 錨桿支護機理

基于錨桿支護可將待支護的巷道圍巖由載荷體轉換為承載體。針對地質、水文以及煤層特征的不同，工作面錨桿的支護機理也不同[3]。但是，相似之處在于基于錨桿支護對巷道圍巖內部進行加固，為確保巷道圍巖的穩定性奠定基礎。

2.2 錨索支護機理

錨索作為錨桿支護的重要組成部分，基于錨索可將金屬網、鋼筋梁等與巷道圍巖組成一個整體，從而進一步提升巷道圍巖的承載能力。此外，基于錨索還可提升圍巖表面結構的穩定性，進而確保巷道圍巖能夠承受更大的拉力和剪切力[4]。

3 巷道圍巖支護的設計

該工作面所采用的支護方式為錨桿+錨索的聯合支護，因此需對錨桿、錨索的相關參數進行計算。

3.1 錨桿的設計

3.1.1 錨桿材料的選型

錨桿材料選型的主要依據為材料的屈服強度。根據屈服強度的等級劃分，可將錨桿分為普通錨桿、高強度錨桿以及超高強度錨桿。

由于該工作面巷道埋藏較深，且在生產過程中常受到采動的影響，加之工作面的頂板為復合頂板，因此選擇高強度錨桿。

3.1.2 錨桿長度的設計

經對工作面礦壓監測的結果可知，本工作面巷道圍巖的穩定性為四級，與其相對應的頂板錨桿的長度為2.2 m，與其對應的兩幫錨桿的長度為2 m。

3.1.3 錨桿直徑的設計

依據錨桿材料的承載力和錨固力對錨桿直徑進行設計。本方案中采用高強度錨桿，其極限強度為182.2 kN，錨固力為60 kN。錨桿直徑計算如下：

式中：Q為所選錨桿材料的錨固力；δr為所選錨桿材料的極限強度值。將數值代入上式，得出d=20.38 mm，圓整為20 mm。因此，錨桿的直徑為20 mm。

3.1.4 錨桿間排距的設計

一般情況下，錨桿支護中錨桿之間的排放均是等距離排列的。錨桿間排距的計算如下：

式中：Q為錨桿的錨固力，取Q=60 kN；k為錨桿的安全系數，一般取k=2；γ為巷道圍巖重量密度，取γ=25 kN/m3；lb2為錨桿的有效長度，取l=1.6 m。將數值代入上式中，經計算得出S=0.866 m。為了方便錨桿的安裝，取S=0.8 m。

3.2 錨索的設計

錨索作為錨桿支護的關鍵部件，其主要由高強預應力鋼絞線、高強預應力鋼絲以及精軋螺紋鋼筋組成。錨索參數的設計包括有錨索的間排距和長度的計算。

3.2.1 錨索間排距的計算

式中：a為錨索的間排距；n代表錨索的排數，n=2；F代表錨索的最大承載力，F=355 kN；B代表巷道的最大冒落寬度，B=4 m；h代表巷道的最大冒落高度，h=8 m；θ代表角錨桿與巷道頂板的夾角，θ=75°。將數值代入計算，得出錨桿間排距的最大值為1.1 m。

3.2.2 錨索長度的計算

式中：L為錨索的總長度；L1為錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，一般1.5～2.0 m，取2 m；L2為需要懸吊的不穩定巖層，取2 m；L3為上托盤+鎖具的厚度，取0.2 m；L4為錨索外露的長度，取0.2 m。

將數值代入上式計算得出錨索的長度為4.4m。

4 結語

錨桿支護作為綜采工作面應用最為廣泛、支護效果最佳的支護方式。在實際生產中，應根據工作面巷道的地質、水文以及煤層特征對錨桿（材料、直徑、長度等）和錨索（間排距、長度等）進行選型設計，確保所得巷道支護方案為最合適的，為綜采工作面的高效、安全生產奠定基礎。