淺埋綜放工作面運輸順槽支護設(shè)計

尹鵬飛

（大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 034114）

1 工程背景

某礦是山西同煤集團旗下礦井，地層走向近東西，地層傾角平均為4°，地質(zhì)構(gòu)造簡單，呈單斜構(gòu)造；可采煤層有2號、5號、6號煤層，現(xiàn)主采2號煤層。2號煤層厚度為2.85～8.28 m，平均6.88 m，開采方式采用綜放開采。22110工作面埋深169～190 m，平均180 m，順槽長805 m，工作面長137 m。偽頂為厚度0.1 m的泥巖，直接頂以砂質(zhì)頁巖為主，平均厚度1.71 m。老頂為K2砂巖，平均厚度6.81 m。底板為細砂巖，平均厚度2.75 m。2號煤層綜放工作面原支護方式為架棚支護，但支護效果不佳，巷道變形嚴重，梁腿扭曲，投入大量成本進行反復維修，極大制約著礦井的生產(chǎn)。

現(xiàn)該礦22110工作面擬定采用錨網(wǎng)索支護，其運輸順槽為矩形斷面，凈寬3.7 m，凈高2.5 m。本次設(shè)計根據(jù)其工作面運輸順槽實際地質(zhì)情況，設(shè)計錨桿、錨索支護方案，以保障工作面生產(chǎn)的安全進行。

2 理論計算

2.1 經(jīng)驗公式計算

利用經(jīng)驗公式對巷道支護進行計算：

式中：L為錨桿總長度，m；N為圍巖影響系數(shù)，取1.1；W為巷道或硐室跨度，取3.7 m；b為組合拱厚度，取 1.5 m[1-2]。

經(jīng)計算，可得錨桿長度L為2.06 m，錨桿間距M不大于0.82 m，錨桿直徑d為18.7 mm。

2.2 圍巖松動圈支護計算

錨桿的有效長度l3為：

式中：a為錨桿的間排距，取0.8 m；β為錨桿控制角，取45°。代入數(shù)據(jù)計算得錨桿長度l3=2.3 m。

2.3 極限平衡區(qū)理論和組合拱理論計算

2.3.1 錨桿參數(shù)確定

2.3.1.1 支護范圍確定

1）最大非彈性區(qū)半徑R0為：

式中：r0為等效圓半徑，m；P為原巖應力，取4.5 MPa；C為巷道圍巖內(nèi)聚力，取3.8 MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，取25°。

2）等效圓半徑r0計算為：

式中：D為巷道跨度，取1.85 m；h為巷道高度，2.5 m。計算得r0為2.23 m。綜上所得，R0=5 m。

3）幫部非彈性區(qū)深度A1為：

4）頂部非彈性區(qū)深度A2為：

5）冒落拱高度b為：

式（9）中：f為巖層普氏系數(shù)，取1.85。H為煤層厚度，取6.88 m。計算b值為3.37 m。

6）冒落拱內(nèi)錨桿承受煤體質(zhì)量G1為：

式中：k為采動系數(shù)，取0.8 m；γ為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3；S為冒落拱內(nèi)煤巖體截面積，取3.37 m2；a為錨桿排距，取0.8 m。則G1值為53.9 kN。

2.3.1.2 頂錨桿參數(shù)計算

1）錨固長度 l'3：

式中：d為頂錨桿鉆孔直徑，取20 mm；τ為巖體與頂錨桿錨固劑的抗剪強度，取煤巖體單軸抗壓強度1/12，取2.4 MPa；m為安全系數(shù)，取1.5。計算得l'3為0.6 m[3-4]。

2）根據(jù)頂部擠壓加固理論，頂錨桿長度Ld為：

代入數(shù)據(jù)計算得Ld=1.95 m。

2.3.1.3 幫錨桿參數(shù)計算

基于兩幫非彈性區(qū)深度，參考頂板圍巖錨固長度，幫錨桿長度Lb為：

代入數(shù)據(jù)計算得Lb=2.0 m。

2.3.2 錨索參數(shù)確定

根據(jù)懸吊支護設(shè)計理論可知，錨索所承受的上部巖體質(zhì)量G2為：

錨索錨固長度：

代入數(shù)據(jù)計算得Lc約為1.5 m。

錨索長度Ls為：

式中：La為錨索外露長度，取0.3 m；Lz為錨索自由段長度，取5 m；Lc為錨索錨固段長度，1.5 m。則錨索長度 Ls為 6.8m。

綜合分析確定，頂板錨桿長度為2000 mm，幫錨桿長度為1400 mm，錨索計算所得長度為6.8 m，考慮一定的安全系數(shù)，應將錨索長度加長至7.3 m，足以滿足支護強度要求[5]。

3 確定最終支護方案

根據(jù)前面多種理論計算的結(jié)果，綜合考慮多方面因素，最終確定22110運輸順槽支護設(shè)計為：

1）頂板支護：采用Φ18 mm×2000 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距為800 mm×800 mm；兩邊錨桿與水平方向夾角為75°，其余錨桿與頂板垂直；頂板錨索為7300 mm的鋼絞線，間排距為1600 mm×1600 mm，采用“五花布置”垂直布置于頂板；

2）兩幫支護：兩幫錨桿采用Φ18 mm×2000 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距為800 mm×800 mm；肩角與底角位置錨桿與水平向夾角為15°，其余錨桿與兩幫垂直[6-7]。

4 現(xiàn)場監(jiān)測效果檢驗

在工作面運輸順槽迎頭布置試驗段，對兩幫位移及頂板離層進行動態(tài)監(jiān)測。將綜放工作面順槽監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)現(xiàn)，22110工作面運輸順槽變形以頂板變形為主，頂板最大下沉量為25 mm，兩幫最大移近量為21 mm。綜放工作面前方30 m以內(nèi)，巷道圍巖為變形明顯區(qū)段，頂板平均下沉速度為0.70 mm/d，兩幫平均移近速度為0.46 mm/d。圍巖變形相較原架棚支護方案減少了79%，支護效果顯著，圍巖變形得到了有效控制，證明了支護設(shè)計的科學合理性。

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