煤巷全锚网支护参数的理论计算方法

2018-08-20王建东

陕西煤炭 2018年4期

王建东

(郑州煤炭工业(集团)有限责任公司，河南郑州 450000)

0 引言

目前，煤矿煤巷的支护形式主要采用全锚网支护，以其成本低、劳动强度低、单进水平高而得到推广[1]，但其支护参数主要是根据工程类比确定，缺乏数值计算支撑。文中以超化煤矿23051回风巷掘进工作面为模型，采用理论计算方法提出了复杂地质条件下煤巷全锚网支护技术方案，合理确定了锚网支护技术参数，从而为煤巷施工提供了理论依据。

根据23051回风巷掘进地质说明书及巷道掘进实际揭露，二1煤层赋存疏松，属于典型的松软不稳定煤层。煤层结构简单，不含夹矸，呈黑色，块状、粉末状、鳞片状，似金属光泽，半亮型煤。煤层硬度系数约为0.15，煤层倾角16°～20°，平均18°，厚度为1.2～11.2 m。煤层直接顶为厚度平均21 m的中粒砂岩，硬度系数5～7，直接底为厚度平均5.9 m砂质泥岩。21051工作面底板标高-170～-220 m，支护改革试验段巷道底板平均标高约-198 m，该段地面平均标高约为+452 m，锚网支护试验段巷道平均埋深约650 m。

1 薄煤层锚网支护参数(煤厚≤1.3 m)

1.1 巷道顶、帮破坏深度计算

由式(1)、(2)可计算巷道掘进后煤帮最大破坏深度C、顶板最大破坏深度b[2]

(1)

(2)

式中：Kc—周围巷道扰动系数；γ—上覆岩层平均重力密度，kN/m3；H—巷道埋深，m；fc—煤层硬度系数；h—煤层厚度或巷道轮廓范围内煤夹层的厚度，m；φ—煤体内摩擦角，(°)；a—巷道的半跨距，m；α—煤层倾角，(°)；ky—锚岩层的稳定性系数；fn—锚固岩层的硬度系数。

设计巷道断面形状为直墙斜顶矩形，其断面尺寸：净宽×中高=5.6 m×4 m，下帮高3 m。巷道平均埋深约650 m，上覆岩层平均重力密度取25 kN/m3。巷道为实体煤巷道，掘进期间不受周围巷道影响，故巷道周边挤压应力集中系数取1.0。巷道范围煤层厚度取1.5 m，煤硬度系数取0.15，煤层内摩擦角取15°。同时，煤层直接顶为中粒砂岩，硬度系数取6.0，稳定性系数取0.95。将相关参数代入式(1)、(2)，得

1.2 顶板锚索设计长度计算

巷道顶板锚索设计长度Ld由式(3)确定

Ld=b+s

(3)

式中：b—顶板岩层最大破坏深度，m；s—锚索锚入顶板围岩破坏范围之外的深度与外露长度之和，s取值应≥1.8 m。

Ld=2.4+1.8=4.2 m

顶板锚索理论计算长度为4.2 m，参考相似地质条件下13091回风巷、13051运输、回风巷锚网支护情况，单一锚杆+菱形网及锚杆+锚索(5 m)+菱形网，为进一步发挥深部岩体的稳定性和强度，设计锚索长度为6 m。

1.3 顶板锚索悬吊岩层重量计算

参考23051运输巷、23031运输巷回收支架情况，巷道顶板松动冒落形状似倒楔形。

按倒楔形冒落理论，沿巷道单位长度顶板悬吊载荷的计算方法[2]为

(4)

式中：γn—悬吊岩层重力密度，取25 kN/m3；R—巷道跨度，m；b—顶板最大破坏深度，m；B—表征采动影响程度的无因次参数，根据采动影响程度不同取值范围在1.5～2.5之间，根据工作面回采顺槽顶板冒落高度情况，取2。

1.4 顶板锚索支护密度计算

单根锚索锚固力P由下式计算[3]

(5)

式中：d—锚索直径，取d=0.017 8 m；fn—锚固岩层的硬度系数，取fn=6.0；σt—锚索杆体极限抗拉强度，预应力钢绞线取1 860 MPa。

每米巷道顶板锚索数量N由式(6)确定

N=KW/P

(6)

式中：K—安全系数，取1.5；W—每米巷道顶板锚索悬吊岩层重量，kN/m；P—单根锚索锚固力，kN。

N=KW/P=1.5×336/346.96=1.5

通过计算每米巷道锚索用量为1.5根，在施工时锚索按照“303”布置，两排1.6 m范围内布置3根，平均每米巷道有1.8根锚索，大于理论计算每米巷道内1.5根。

1.5 锚网支护方案

掘巷后施工锚网支护，控制巷道浅部围岩的松动、扩容，利用锚杆支护形成巷道浅部承载结构，在关键承载区即巷中位置附近施工锚索，利用锚索将巷道浅部围岩中形成的锚网承载结构锚固至深部稳定岩体上，实现对巷道围岩结构的强化[4]。巷道采用锚网索+钢筋楔子梁支护。

顶板支护：巷道顶板采用锚杆、锚索配合钢筋网、钢筋梯子梁进行支护，联网采用12#铁丝。在顶板按照“303”施工锚索，配400 mm×300 mm托盘，托盘采用废旧U型钢加工而成；锚固力不低于260 kN。锚索施工滞后迎头距离≤10 m，其中巷中位置锚索必须紧跟迎头施工。钢筋梯子梁沿巷道横向铺设，每根钢筋梯子梁上安装3根锚索，锚索穿过钢筋梯子梁上的锚索孔垂直锚入顶板，钢筋梯子梁采用φ10 mm圆钢加工。

两帮支护：巷道上帮采用7根φ20 mm×2 000 mm通丝螺纹钢锚杆配合钢筋网支护，下帮采用4根φ20 mm×2 000 mm通丝螺纹钢锚杆配钢筋网支护，锚杆间排距为800 mm×800 mm，预紧力矩≥260 N·m。煤体中锚杆预紧力矩≥200 N·m。巷道两帮煤体中锚杆托盘与钢筋网之间加垫垫板，采用木板加工，规格为φ40 mm×300 mm×300 mm，中心孔直径为28 mm，如图1所示。

图1 巷道锚杆(索)布置示意图

2 中厚煤层锚网支护参数(1.3 m<煤厚≤3.5 m)

2.1 巷道顶、帮破坏深度计算

巷道范围煤层厚度取3 m，将相关参数代入式(1)、(2)，得

2.2 顶板锚索设计长度计算

将相关参数代入式(3)得

Ld=4.2+1.8=6.0 m

顶板锚索理论计算长度为6.0 m，结合23051运输巷、23031运输巷回收支架时，巷道顶板冒落高度在5 m左右，同时，根据相似地质条件下23051回风巷里段锚网索支护情况，顶板施工5 m锚索，后期下沉明显，锚索长度确定为6.0 m。

2.3 顶板锚索悬吊岩层重量计算

将相关参数代入式(4)，得

2.4 顶板锚索支护密度计算

单根锚索锚固力P由式(5)计算得

每米巷道顶板锚索数量N由式(6)计算得

N=1.5×588/346.96=2.5

理论计算每米巷道锚索用量为2.5根，在施工时锚索按照“42”布置，两排1.6 m范围内布置6根，平均每米巷道有3.7根锚索，大于理论计算每米巷道内2.5根。

2.5 锚网索支护方案

顶板支护：巷道顶板采用锚杆、锚索配合钢筋网、钢筋梯子梁进行支护，(其他参数不变)顶板按照“42”施工锚索。

两帮支护：巷道上帮打设8根φ20 mm×2 000 mm通丝螺纹钢钢锚杆、巷道下帮采用5根φ20 mm×3 000 mm玻璃钢锚杆配合钢筋网、硬质塑料网双层网(里层为硬质塑料网、外层为钢筋网)支护，如图2所示。

3 厚煤层锚网支护参数(3.5 m<煤厚≤6 m)

3.1 巷道顶、帮破坏深度计算

巷道断面尺寸：净宽×中高=5.6 mm×4 mm，下帮高为3 m。巷道平均埋深约650 m，上覆岩层平均重力密度取25 kN/m3。由于巷道为实体煤巷道，巷道掘进期间不受周围巷道影响，故巷道周边挤压应力集中系数取1.0。巷道范围煤层厚度取4.5 m，煤层硬度系数取0.15，煤层内摩擦角取15°。同时，煤层直接顶为大占砂岩，硬度系数取6.0，稳定性系数取0.95。将相关参数代入式(1)、(2)，分别得到