凉水井煤矿掘进作业中锚杆锚索选型及其依据
2014-04-24何洪亮
何洪亮
摘要：目前，锚杆、锚索支护已应用于国内外大部分煤矿，其变传统被动支护为主动支护的理念，已经得到国内外相关专家与使用单位的认可。针对凉水井煤矿在以前巷道掘进过程中，对巷道支护设计仅仅是利用施工过的经验来设计，存在设计不规范的问题，可能会导致支护强度达不到巷道支护的要求，发生顶板冒落事故。掘进一队技术员根据煤巷锚杆、锚索支护参数确定的原则以及施工过的巷道支护经验，然后进行井下监测，根据监测数据验证、修改和完善了煤巷掘进支护设计，做到用数据和理论依据说话。
关键词：凉水井煤矿 支护 锚杆 锚索 应用
0 引言
3-1煤层除火烧区和风化带以外，煤层及顶底板属于较稳定煤岩层，根据地质钻孔资料预计，掘进一队将施工的31101回风巷煤层顶板稳定岩层厚度大于6m。
■
图1 3-1煤综合柱状图
根据煤矿煤层的赋存条件及顶板岩石变化特点，结合巷道围岩变形实际情况，巷道锚杆锚索支护的设计主要包括：首先对巷道围岩进行综合分析。选择锚杆、锚索组合支护形式，以形成群锚效应维护巷道围岩的稳定。适当用网片和钢梁加强强度及韧性，以形成高强锚固体系，并适应巷道围岩的较大变形。确定合理的巷道断面形状，进行支护选型。综合上述支护参数的设计结果、结合钻孔窥视仪等设备所观察到的围岩结构情况和目前巷道支护效果进行分析，最终确定出合理的支护参数。
1 支护材料以及支护参数确定
1.1 锚杆支护参数的确定
1.1.1 采用计算法校核支护参数
①顶锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮体作用达到支护效果的条件，应满足：
L≥L1+L2+L3
式中L——锚杆总长度，mm；
L1——锚杆外露长度（钢筋网厚度+托板厚度+螺母厚度+<20～30>mm，此处顶、帮锚杆均取100mm），mm；
L2——锚杆有效长度，mm；
L3——锚杆锚固长度（这里顶锚杆取800mm），mm。
锚杆有效长度L2的确定方法：一是采用声波法测出巷道围岩松动圈范围；二是采用岩层探测分析仪进行测量；三是采用解释法中普式自然平衡拱理论确定L2。
巷道顶锚杆L2的确定：
f≥3时，L2=B/2f
f≤2时，L2=■[■+Hcot（45°+■）]
巷道帮锚杆L2的确定：L2=■+■
式中B、H——巷道掘进跨度和高度，取B=5.2m，H=3.2m；
f——顶板岩石普氏系数，顶板为粉砂岩，取4.0；
φ——两帮围岩的似内摩擦角，φ=1/2arctan（f顶）=38°。
由于我矿4-2煤顶板为粉砂岩，岩石硬度系数取4，大于3，因此巷道顶锚杆L2=B/2 f=5.2/（2×4）=0.65m
依据上述公式计算得出：顶锚杆长L顶≥1550mm。
所选顶锚杆长度L=2100mm，远远满足验算要求。
②按锚杆所能悬吊的重量校核锚杆的间、排距：每根锚杆悬吊岩体重量G=γL2a2，锚杆锚固力Q应能承担G的重量。为安全起见，在考虑安全系数k，取k=2。
kG 式中 a——锚杆间、排距，m； L2——有效长度，2.1m顶锚杆实际有效长度为1.2m； γ——岩体的容重，取26.7kN/m3。 a<（Q/kγL2）1/2所选顶锚杆的锚固力Q≥85KN，计算得a<1.15m 通过以上计算，间、排距取800mm×800mm选择合理，能满足计算要求。 ③锚杆直径的确定。锚杆直径d可根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即： d=35.52■ 式中 d——锚杆直径，mm； Q——锚固力，85KN； σt——杆体材料抗拉强度，400MPa。 则d=16.37mm，故取锚杆直径18mm符合要求。 通过以上计算，锚杆选取Φ18×2100mm二级螺纹钢筋锚杆选择合理，能满足计算要求。 1.1.2 采用工程类比法合理选择支护参数。根据凉水井煤矿311盘区矿压观测资料和我矿以往同煤层采掘巷道的支护经验，31101回风巷顶板采用Φ18×2100mmⅡ级螺纹钢筋锚杆支护，锚杆排列方式每排七根，矩形布置，间、排距为800mm×800mm，每根锚杆使用一支MSCK2335和一支MSZK2360型树脂药卷；托盘采用规格为120mm×120mm×8mm的Q235钢板；钢筋网片采用Φ6mm钢筋经调直后焊接而成，网片尺寸为2600mm×1000mm，网格规格100mm×100mm，相邻两片网搭接100mm，沿搭接长度每间隔300mm用14#铁丝连接绑扎；钢梁采用Φ14mm圆钢加工而成，钢梁长度5000mm，钢梁排拒800mm；锚索长度6500mm，采用Φ15.24mm的钢绞线加工而成，锚索托盘采用15mm的钢板加工，规格为300mm×300m×15mm，每根锚索安装两支MSCK2335和一支MSZK2360型树脂药卷，锚索一、二菱形布置，间排距为2400mm×1600mm，详见图2。 1.2 锚索支护参数的确定 ①锚索长度的确定 X=X1+X2+X3 =250+5200+1030 =6480mm 式中 X——锚索总长度，mm； X1——锚索外露长度，取250mm； X2——潜在不稳定岩层高度，按最严重冒落高度即巷道跨度B，取5200mm； X3—锚索锚固长度，经计算取1030mm。 所选锚索长度X=6500mm，满足要求。 ②锚索排距确定 S=3σ/4B2γk =3×260/（4×5.2×2×26.7×0.5） =1.4m 式中S——锚索排拒，m； σ——锚索最低破断载荷，260kN； B——巷道宽度，5.2m； γ——岩体的容重，取26.7kN/m3； k——安全系数，取0.5。 由于巷道宽度为5.2m，因此，布置3排锚索，排距为1.2m，沿巷道中间菱形布置，具体见图3。 ③锚索间距确定 m=0.85B/n=0.85×5.2/3=1.5m 式中 m——锚索间拒，m； B——巷道宽度，5.2m； n——排数，取3。 结合我矿井下实际生产经验以及3-1煤顶板岩性情况，31101回风巷顶板采用φ15.24mm×6500mm的 钢绞线锚索，布置3排，交叉菱形布置，间距1.6m，排距1.2m。 参考文献： [1]晁建军，郭朋星.浅谈煤巷锚杆、锚索支护参数设计[J].山东煤业科技，2010（04）：112-146. [2]编委会.矿井支护施工建设新技术新方案与产品选型设计及工程质量监测、应用实例分析实用手册[M].北方工业出版社，2008.3. [3]程谟柏.煤巷锚杆支护原理分析[J].china Science &Techn-; ology Overview，2010. [4]刘守君.锚杆支护原理及应用[J].有色金属，2009（03）.
