西曲礦8號煤層支護設計研究

靳學治

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

目前，對于巷道的錨桿支護設計，主要有以下三種方法：工程類比、理論計算和數值模擬。工程類比主要是指根據已開采礦井的成功實踐經驗來確定相似條件下的巷道錨桿支護方案，但該方法大多沒有理論依據；理論計算即利用相關理論確定錨桿支護的主要參數，但依據不同的理論所得的計算結果也各不相同；數值模擬是指利用相關計算機軟件對不同的支護方案進行模擬計算，從而得到最佳的方案，但由于在實際操作中會對模型進行很多簡化，使所得結果更偏于理想化，一般設計不會單獨使用該方法，大多作為一種輔助和驗證的工具。本文主要針對西曲礦28307工作面的實際情況，利用懸吊理論和工程類比確定最為合理的支護方案。

1 工程背景

西曲礦是山西焦煤西山煤電旗下主力礦井，位于山西省古交市附近。28307工作面位于北三盤區南部，主采8號煤層，地面標高1 193～1 307 m，工作面標高1 050～1 130 m；工作面走向長約1 015 m，傾向長約180 m；工作面煤層厚度為3.80～4.40 m，平均4.20 m，煤層傾角為1°～11°，平均4°，屬于近水平煤層；煤層含有一次泥巖偽頂，厚度約0.6 m，直接頂為3.85 m厚的石灰巖，老頂為1.25 m厚的粉砂巖；直接底為2.08m的中粒砂巖，老底為0.7 m的炭質泥巖，如圖1所示。

現根據工作面的實際地質情況，設計煤巷的錨桿支護方案，以保障工作面生產的安全進行。

2 支護方案初設

28405工作面位于北四盤區，主采8號煤層，煤層賦存條件與本工作面十分相似，利用工程類比對本工作面支護設計方案進行初步確定[1-3]。28405工作面回采巷道支護參數為：頂錨桿選用20Mn螺紋等強度錨桿，長度為1.8 m，直徑為20 mm，頂錨桿共5根，采用矩形布置，間排距為1.1 m×1.0 m。兩幫采用采用樹脂錨桿，直徑為18 mm，長度為1.6 m，最上部的錨桿與頂板間距0.5 m，間排距為1.0 m×1.0 m。

圖1 工作面巖層柱狀圖

3 理論計算

巷道圍巖受工作面采動影響會發生塑性破壞，利用錨桿支護，可在圍巖內形成錨固區域，使圍巖保持完整與穩定。利用懸吊理論，對工作面巷道支護參數進行計算。

3.1 巷道破壞范圍的確定

1）計算巷道兩幫的破壞深度為：

式中：σc為煤層礦壓強度，取15 MPa；γ為巖層平均容重，取25 kN/m3；H為埋深，取160 m；α為煤層傾角，取4°；M為采高，取4.2 m；l為巷道寬度，取4.5 m；μ為煤層泊松比，取0.4；φ為煤層內摩擦角，取37°；Kσ為全煤巷道應力集中系數，Kσ=KsKa，其中Ks為應力集中系數，一般矩形巷道取2.3，Ka為采空區影響系數，有：

式中：X為煤柱寬度，取20 m；σr為老頂抗壓強度，取105 MPa；hi為直接頂厚度，取3.85 m。將數據代入式（2），可得 Ka為 1.75，因此，Kσ為 4.02。代入式（1），可得兩幫破壞深度C=0.289 m。

2）巷道頂板的破壞高度為：

式中：b為巷道頂板破壞深度，m；Ky為巷道頂板完整性系數，取0.85，其余符號與上式相同。經計算巷道頂板破壞深度為0.83 m。

3.2 頂錨桿支護參數的確定

3.2.1 錨桿長度

一般地，錨桿支護長度為L=L1+L2+L3，其中，L1為外露長度，一般取0.2 m，L2為有效長度，即破壞深度取0.83 m，L3為錨固段長度，取0.4 m，則，錨桿長度應大于1.43 m，初步設計中頂錨桿長度為1.8 m，滿足巷道需求[4]。

3.2.2 錨桿直徑

錨桿直徑可由下式計算得到：

式中：d為錨桿直徑，mm；Q為錨固力，取100 kN；σt為錨桿抗拉強度，取500 MPa，則錨桿直徑最小應為15.89 mm，初選設計中頂錨桿直徑為20 mm，滿足巷道需求。

3.2.3 錨桿排距

錨桿一般按等距排列，排距可由下式求得：

式中：K為安全系數，取3.0；其余符號與前面相同。則錨桿排距為1.24 m。在初選方案中，頂錨桿排距為1.1 m×1.0 m，完全滿足巷道的需求。

3.3 幫錨桿支護參數的確定

通過前面的計算可知，巷道兩幫的破壞深度僅為0.289 m，一般來講，破壞深度小于0.3 m時，不需要進行支護。但是，由于工作面煤層較厚，平均達4.2 m，容易發生片幫現象，因此，仍需進行一定的支護，通過采區鄰近工作面的巷道支護方案可知，按照初選方案即可滿足巷道兩幫支護的需求[5]。

4 結語

通過懸吊理論計算可知，28307工作面錨桿支護初步設計完全滿足安全生產的需求。在錨桿施工過程中，要注意嚴格遵守施工規范，保證巷道的支護質量，防止安全事故的發生。

對28307工作面進行的實際，通過監測巷道頂板和兩幫的移近量可知，在開采過程中，巷道圍巖變形很小，滿足工作面安全生產的要求，沒有發生冒頂和片幫等相關事故。因此，28307工作面巷道支護設計取得了較好的效果，可為礦井類似條件下的錨桿支護設計提供借鑒。