煤巷全錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)的理論計(jì)算方法

王建東

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

目前，煤礦煤巷的支護(hù)形式主要采用全錨網(wǎng)支護(hù)，以其成本低、勞動強(qiáng)度低、單進(jìn)水平高而得到推廣[1]，但其支護(hù)參數(shù)主要是根據(jù)工程類比確定，缺乏數(shù)值計(jì)算支撐。文中以超化煤礦23051回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面為模型，采用理論計(jì)算方法提出了復(fù)雜地質(zhì)條件下煤巷全錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案，合理確定了錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)參數(shù)，從而為煤巷施工提供了理論依據(jù)。

根據(jù)23051回風(fēng)巷掘進(jìn)地質(zhì)說明書及巷道掘進(jìn)實(shí)際揭露，二1煤層賦存疏松，屬于典型的松軟不穩(wěn)定煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸，呈黑色，塊狀、粉末狀、鱗片狀，似金屬光澤，半亮型煤。煤層硬度系數(shù)約為0.15，煤層傾角16°～20°，平均18°，厚度為1.2～11.2 m。煤層直接頂為厚度平均21 m的中粒砂巖，硬度系數(shù)5～7，直接底為厚度平均5.9 m砂質(zhì)泥巖。21051工作面底板標(biāo)高-170～-220 m，支護(hù)改革試驗(yàn)段巷道底板平均標(biāo)高約-198 m，該段地面平均標(biāo)高約為+452 m，錨網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)段巷道平均埋深約650 m。

1 薄煤層錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)(煤厚≤1.3 m)

1.1 巷道頂、幫破壞深度計(jì)算

由式(1)、(2)可計(jì)算巷道掘進(jìn)后煤幫最大破壞深度C、頂板最大破壞深度b[2]

(1)

(2)

式中：Kc—周圍巷道擾動系數(shù)；γ—上覆巖層平均重力密度，kN/m3；H—巷道埋深，m；fc—煤層硬度系數(shù)；h—煤層厚度或巷道輪廓范圍內(nèi)煤夾層的厚度，m；φ—煤體內(nèi)摩擦角，(°)；a—巷道的半跨距，m；α—煤層傾角，(°)；ky—錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)；fn—錨固巖層的硬度系數(shù)。

設(shè)計(jì)巷道斷面形狀為直墻斜頂矩形，其斷面尺寸：凈寬×中高=5.6 m×4 m，下幫高3 m。巷道平均埋深約650 m，上覆巖層平均重力密度取25 kN/m3。巷道為實(shí)體煤巷道，掘進(jìn)期間不受周圍巷道影響，故巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)取1.0。巷道范圍煤層厚度取1.5 m，煤硬度系數(shù)取0.15，煤層內(nèi)摩擦角取15°。同時(shí)，煤層直接頂為中粒砂巖，硬度系數(shù)取6.0，穩(wěn)定性系數(shù)取0.95。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)、(2)，得

1.2 頂板錨索設(shè)計(jì)長度計(jì)算

巷道頂板錨索設(shè)計(jì)長度Ld由式(3)確定

Ld=b+s

(3)

式中：b—頂板巖層最大破壞深度，m；s—錨索錨入頂板圍巖破壞范圍之外的深度與外露長度之和，s取值應(yīng)≥1.8 m。

Ld=2.4+1.8=4.2 m

頂板錨索理論計(jì)算長度為4.2 m，參考相似地質(zhì)條件下13091回風(fēng)巷、13051運(yùn)輸、回風(fēng)巷錨網(wǎng)支護(hù)情況，單一錨桿+菱形網(wǎng)及錨桿+錨索(5 m)+菱形網(wǎng)，為進(jìn)一步發(fā)揮深部巖體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，設(shè)計(jì)錨索長度為6 m。

1.3 頂板錨索懸吊巖層重量計(jì)算

參考23051運(yùn)輸巷、23031運(yùn)輸巷回收支架情況，巷道頂板松動冒落形狀似倒楔形。

按倒楔形冒落理論，沿巷道單位長度頂板懸吊載荷的計(jì)算方法[2]為

(4)

式中：γn—懸吊巖層重力密度，取25 kN/m3；R—巷道跨度，m；b—頂板最大破壞深度，m；B—表征采動影響程度的無因次參數(shù)，根據(jù)采動影響程度不同取值范圍在1.5～2.5之間，根據(jù)工作面回采順槽頂板冒落高度情況，取2。

1.4 頂板錨索支護(hù)密度計(jì)算

單根錨索錨固力P由下式計(jì)算[3]

(5)

式中：d—錨索直徑，取d=0.017 8 m；fn—錨固巖層的硬度系數(shù)，取fn=6.0；σt—錨索桿體極限抗拉強(qiáng)度，預(yù)應(yīng)力鋼絞線取1 860 MPa。

每米巷道頂板錨索數(shù)量N由式(6)確定

N=KW/P

(6)

式中：K—安全系數(shù)，取1.5；W—每米巷道頂板錨索懸吊巖層重量，kN/m；P—單根錨索錨固力，kN。

N=KW/P=1.5×336/346.96=1.5

通過計(jì)算每米巷道錨索用量為1.5根，在施工時(shí)錨索按照“303”布置，兩排1.6 m范圍內(nèi)布置3根，平均每米巷道有1.8根錨索，大于理論計(jì)算每米巷道內(nèi)1.5根。

1.5 錨網(wǎng)支護(hù)方案

掘巷后施工錨網(wǎng)支護(hù)，控制巷道淺部圍巖的松動、擴(kuò)容，利用錨桿支護(hù)形成巷道淺部承載結(jié)構(gòu)，在關(guān)鍵承載區(qū)即巷中位置附近施工錨索，利用錨索將巷道淺部圍巖中形成的錨網(wǎng)承載結(jié)構(gòu)錨固至深部穩(wěn)定巖體上，實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化[4]。巷道采用錨網(wǎng)索+鋼筋楔子梁支護(hù)。

頂板支護(hù)：巷道頂板采用錨桿、錨索配合鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁進(jìn)行支護(hù)，聯(lián)網(wǎng)采用12#鐵絲。在頂板按照“303”施工錨索，配400 mm×300 mm托盤，托盤采用廢舊U型鋼加工而成；錨固力不低于260 kN。錨索施工滯后迎頭距離≤10 m，其中巷中位置錨索必須緊跟迎頭施工。鋼筋梯子梁沿巷道橫向鋪設(shè)，每根鋼筋梯子梁上安裝3根錨索，錨索穿過鋼筋梯子梁上的錨索孔垂直錨入頂板，鋼筋梯子梁采用φ10 mm圓鋼加工。

兩幫支護(hù)：巷道上幫采用7根φ20 mm×2 000 mm通絲螺紋鋼錨桿配合鋼筋網(wǎng)支護(hù)，下幫采用4根φ20 mm×2 000 mm通絲螺紋鋼錨桿配鋼筋網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為800 mm×800 mm，預(yù)緊力矩≥260 N·m。煤體中錨桿預(yù)緊力矩≥200 N·m。巷道兩幫煤體中錨桿托盤與鋼筋網(wǎng)之間加墊墊板，采用木板加工，規(guī)格為φ40 mm×300 mm×300 mm，中心孔直徑為28 mm，如圖1所示。

圖1 巷道錨桿(索)布置示意圖

2 中厚煤層錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)(1.3 m<煤厚≤3.5 m)

2.1 巷道頂、幫破壞深度計(jì)算

巷道范圍煤層厚度取3 m，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)、(2)，得

2.2 頂板錨索設(shè)計(jì)長度計(jì)算

將相關(guān)參數(shù)代入式(3)得

Ld=4.2+1.8=6.0 m

頂板錨索理論計(jì)算長度為6.0 m，結(jié)合23051運(yùn)輸巷、23031運(yùn)輸巷回收支架時(shí)，巷道頂板冒落高度在5 m左右，同時(shí)，根據(jù)相似地質(zhì)條件下23051回風(fēng)巷里段錨網(wǎng)索支護(hù)情況，頂板施工5 m錨索，后期下沉明顯，錨索長度確定為6.0 m。

2.3 頂板錨索懸吊巖層重量計(jì)算

將相關(guān)參數(shù)代入式(4)，得

2.4 頂板錨索支護(hù)密度計(jì)算

單根錨索錨固力P由式(5)計(jì)算得

每米巷道頂板錨索數(shù)量N由式(6)計(jì)算得

N=1.5×588/346.96=2.5

理論計(jì)算每米巷道錨索用量為2.5根，在施工時(shí)錨索按照“42”布置，兩排1.6 m范圍內(nèi)布置6根，平均每米巷道有3.7根錨索，大于理論計(jì)算每米巷道內(nèi)2.5根。

2.5 錨網(wǎng)索支護(hù)方案

頂板支護(hù)：巷道頂板采用錨桿、錨索配合鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁進(jìn)行支護(hù)，(其他參數(shù)不變)頂板按照“42”施工錨索。

兩幫支護(hù)：巷道上幫打設(shè)8根φ20 mm×2 000 mm通絲螺紋鋼鋼錨桿、巷道下幫采用5根φ20 mm×3 000 mm玻璃鋼錨桿配合鋼筋網(wǎng)、硬質(zhì)塑料網(wǎng)雙層網(wǎng)(里層為硬質(zhì)塑料網(wǎng)、外層為鋼筋網(wǎng))支護(hù)，如圖2所示。

3 厚煤層錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)(3.5 m<煤厚≤6 m)

3.1 巷道頂、幫破壞深度計(jì)算

巷道斷面尺寸：凈寬×中高=5.6 mm×4 mm，下幫高為3 m。巷道平均埋深約650 m，上覆巖層平均重力密度取25 kN/m3。由于巷道為實(shí)體煤巷道，巷道掘進(jìn)期間不受周圍巷道影響，故巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)取1.0。巷道范圍煤層厚度取4.5 m，煤層硬度系數(shù)取0.15，煤層內(nèi)摩擦角取15°。同時(shí)，煤層直接頂為大占砂巖，硬度系數(shù)取6.0，穩(wěn)定性系數(shù)取0.95。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)、(2)，分別得到

a-巷道支護(hù)斷面A;b-巷道支護(hù)斷面B圖2 巷道支護(hù)斷面圖

3.2 頂板錨索設(shè)計(jì)長度計(jì)算

巷道頂板錨索設(shè)計(jì)長度Ld由式(3)確定，s取值應(yīng)≥1.8 m。

Ld=6.2+1.8=8 m

頂板錨索理論計(jì)算長度為8 m，本設(shè)計(jì)中確定錨索長度為8 m。

3.3 頂板錨索承載巖層重量計(jì)算

將相關(guān)參數(shù)代入式(4)，得到

3.4 頂板錨索支護(hù)密度計(jì)算

將相關(guān)參數(shù)代入式(5)，得到

每米巷道頂板錨索數(shù)量N由式(6)得到

N=1.5×868/346.96=3.8

理論計(jì)算每米巷道錨索用量為3.8根。在施工時(shí)錨索按照“42”布置，兩排1.6 m范圍內(nèi)布置6根，平均每米巷道有3.8根錨索，滿足理論計(jì)算每米巷道內(nèi)3.8根要求。

3.5 錨網(wǎng)支護(hù)方案

頂板支護(hù)：巷道頂板采用錨桿、錨索配合鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁進(jìn)行支護(hù)，頂板按照“42”施工錨索，巷中兩根錨索必須緊跟迎頭施工。

兩幫支護(hù)：巷道上幫打設(shè)8根φ20 mm×2 000 mm通絲螺紋鋼鋼錨桿、巷道下幫采用5根φ20 mm×3 000 mm玻璃鋼錨桿配合鋼筋網(wǎng)、硬質(zhì)塑料網(wǎng)雙層網(wǎng)(里層為硬質(zhì)塑料網(wǎng)、外層為鋼筋網(wǎng))支護(hù)，如圖3所示。

a-巷道支護(hù)斷面圖A;b-巷道支護(hù)斷面圖B圖3 巷道支護(hù)斷面圖

4 結(jié)語

經(jīng)過計(jì)算確定了不同煤厚條件下煤巷全錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案和支護(hù)參數(shù)，為相似地質(zhì)條件下煤巷掘進(jìn)，合理確定支護(hù)參數(shù)，減少巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

超化煤礦23051回風(fēng)巷掘進(jìn)的實(shí)踐證明，通過理論計(jì)算和工程類比對不同地質(zhì)條件下煤巷全錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行確定，能夠更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，提高針對性，可為類似條件煤礦掘進(jìn)工作面煤巷全錨網(wǎng)支護(hù)提供參考。