西曲礦8號(hào)煤層支護(hù)設(shè)計(jì)研究

靳學(xué)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(hù)設(shè)計(jì)，主要有以下三種方法：工程類比、理論計(jì)算和數(shù)值模擬。工程類比主要是指根據(jù)已開采礦井的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來確定相似條件下的巷道錨桿支護(hù)方案，但該方法大多沒有理論依據(jù)；理論計(jì)算即利用相關(guān)理論確定錨桿支護(hù)的主要參數(shù)，但依據(jù)不同的理論所得的計(jì)算結(jié)果也各不相同；數(shù)值模擬是指利用相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件對不同的支護(hù)方案進(jìn)行模擬計(jì)算，從而得到最佳的方案，但由于在實(shí)際操作中會(huì)對模型進(jìn)行很多簡化，使所得結(jié)果更偏于理想化，一般設(shè)計(jì)不會(huì)單獨(dú)使用該方法，大多作為一種輔助和驗(yàn)證的工具。本文主要針對西曲礦28307工作面的實(shí)際情況，利用懸吊理論和工程類比確定最為合理的支護(hù)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(qū)南部，主采8號(hào)煤層，地面標(biāo)高1 193～1 307 m，工作面標(biāo)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?guī)r，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(zhì)泥巖，如圖1所示。

現(xiàn)根據(jù)工作面的實(shí)際地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)煤巷的錨桿支護(hù)方案，以保障工作面生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

2 支護(hù)方案初設(shè)

28405工作面位于北四盤區(qū)，主采8號(hào)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(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步確定[1-3]。28405工作面回采巷道支護(hù)參數(shù)為：頂錨桿選用20Mn螺紋等強(qiáng)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(jì)算

巷道圍巖受工作面采動(dòng)影響會(huì)發(fā)生塑性破壞，利用錨桿支護(hù)，可在圍巖內(nèi)形成錨固區(qū)域，使圍巖保持完整與穩(wěn)定。利用懸吊理論，對工作面巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 巷道破壞范圍的確定

1）計(jì)算巷道兩幫的破壞深度為：

式中：σc為煤層礦壓強(qiáng)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(nèi)摩擦角，取37°；Kσ為全煤巷道應(yīng)力集中系數(shù)，Kσ=KsKa，其中Ks為應(yīng)力集中系數(shù)，一般矩形巷道取2.3，Ka為采空區(qū)影響系數(shù)，有：

式中：X為煤柱寬度，取20 m；σr為老頂抗壓強(qiáng)度，取105 MPa；hi為直接頂厚度，取3.85 m。將數(shù)據(jù)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(shù)，取0.85，其余符號(hào)與上式相同。經(jīng)計(jì)算巷道頂板破壞深度為0.83 m。

3.2 頂錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

3.2.1 錨桿長度

一般地，錨桿支護(hù)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(yīng)大于1.43 m，初步設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)度，取500 MPa，則錨桿直徑最小應(yīng)為15.89 mm，初選設(shè)計(jì)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(shù)，取3.0；其余符號(hào)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(hù)參數(shù)的確定

通過前面的計(jì)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(shí)，不需要進(jìn)行支護(hù)。但是，由于工作面煤層較厚，平均達(dá)4.2 m，容易發(fā)生片幫現(xiàn)象，因此，仍需進(jìn)行一定的支護(hù)，通過采區(qū)鄰近工作面的巷道支護(hù)方案可知，按照初選方案即可滿足巷道兩幫支護(hù)的需求[5]。

4 結(jié)語

通過懸吊理論計(jì)算可知，28307工作面錨桿支護(hù)初步設(shè)計(jì)完全滿足安全生產(chǎn)的需求。在錨桿施工過程中，要注意嚴(yán)格遵守施工規(guī)范，保證巷道的支護(hù)質(zhì)量，防止安全事故的發(fā)生。

對28307工作面進(jìn)行的實(shí)際，通過監(jiān)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(chǎn)的要求，沒有發(fā)生冒頂和片幫等相關(guān)事故。因此，28307工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)取得了較好的效果，可為礦井類似條件下的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒。