薄煤层工作面回采巷道锚杆支护设计

程文惠

（潞安集团余吾煤业公司， 山西 长治 046000）

引言

回采巷道的稳定对工作面的安全开采有着十分重要的作用。目前，我国回采巷道的支护最常用的方法就是锚杆支护，因此，针对某矿薄煤层开采的实际地质条件，通过计算分析，确定回采巷道的合理尺寸，提出支护方案，为相似条件下回采巷道支护设计提供理论依据。

1 工程概况

某矿主采煤层包括3、6、8号煤层，其中3号煤层厚度为1.05～1.40 m，平均仅有1.20 m，属于薄煤层开采，煤层埋深为170～310 m，平均220 m，煤层倾角为0°～3°，平均仅1°，属于近水平煤层，煤层厚度稳定，开采条件简单，瓦斯含量低，属于全区可采煤层。煤层顶底板较硬，直接顶为2.2 m厚的粉砂岩，基本顶为7.0 m厚的细粒砂岩，直接底为2.7 m厚的中粒砂岩。目现，矿井计划对3号煤层进行回采，计划首采工作面的年产量为75万t，采用“四六”制工作，三班生产，一班准备。为提高经济效益，保障生产安全，本文根据该矿实际条件，对工作面回采巷道尺寸和支护参数进行相关研究[1]。

2 回采巷道尺寸的确定

回采巷道的尺寸要与工作面生产条件相匹配，尺寸过小导致无法满足通风和运输要求，而尺寸过大造成不必要的浪费，增加开采成本，因此，确定合理的巷道尺寸十分重要。

2.1 巷道净高的确定

由于3号煤层属于薄煤层，工作面回采巷道属于半煤岩巷，巷道掘进成本高，应在满足生产需求的基础上尽量降低巷道高度。根据安全规程要求，回采巷道净高度应为：

根据矿井实际条件，所用的运输设备最高的是WC3E（A）型薄煤层胶轮车，工作面运输设备最大高度Hy为1 650 mm，而根据《采矿工程设计手册》，回采巷道顶板与运输设备间的安全间隙d1不得小于600 mm。将数据代入公式（1）可得H≥2 250 mm。

因此，巷道净高度应大于2 250 mm。

2.2 巷道净宽的确定

对于巷道宽度，要大于胶轮车宽度与行人通道之和，留有一定的安全间隙，其表达式为：

根据矿井实际条件，所用的运输设备最宽的是WC40型支架搬运车，其最大宽度By为3 520 mm，而根据《采矿工程设计手册》，回采巷道人行通道a一般取800～1 000 mm，这里取1 000 mm，安全间隙d2一般取300～500 mm，这里取500 mm。将数据代入公式（2）可得B≥5 020 mm。

因此，巷道净宽度应大于5 020 mm。

根据上诉计算结果，综合考虑技术与经济两方面因素，确定回采巷道为矩形断面，断面尺寸为2 250 mm×5 400 mm[2]。

3 锚杆支护设计

3.1 围岩破坏范围

受巷道掘进影响根据，围岩应力重新分布，根据自然平衡拱理论，围岩破坏范围如图1所示。

图1 巷道围岩破坏范围

如图所示，巷道两帮的破坏范围为：

式中：C为两帮破坏深度，m；Kcx为巷道围岩应力集中系数，取3；γ为顶板围岩平均容重，取25 kN/m3；H为煤层埋深，取142 m；B为采动影响系数，取2.7；fy为两帮围岩普氏系数，取1.5；h为巷道高度，2.25 m；φ为巷道围岩内摩擦角，取33°。

将数据代入式（3）可得巷道两帮破坏深度为1.12 m。

巷道顶板破坏深度可由式（4）表示：

式中：b为巷道顶板破坏深度，m；a为巷道两帮到中心线的距离，取2.7 m；α为岩层倾角，取1°；ky为巷道围岩稳定系数，取0.5；fm为顶板锚固岩层普氏系数，取 5。

将数据代入式（4），可得巷道顶板破坏深度为1.52 m[3]。

3.2 支护参数计算

3.2.1 锚杆长度的确定

锚杆长度可通过围岩破坏范围确定。顶锚杆长度应为：

式中：LD为顶锚杆长度，m；l0为锚杆外露长度，取0.15 m。

将数据代入式（5）则LD=1.67 m，考虑一定安全系数，取顶锚杆长度为1.8 m。

帮锚杆长度应为：

式中：LB为帮锚杆长度，m。

将数据代入可得帮锚杆长度LB=1.27 m，考虑一定安全系数，帮锚杆长度取1.4 m。

3.2.2 锚杆间排距的确定

根据锚杆承载能力，可确定锚杆间排距为：

式中：ar为锚杆间排距，m；其余符号含义与前相同。

将数据代入公式（7）可得ar=1.0 m，因此，确定锚杆间排距为1.0 m。

3.2.3 锚杆锚固力的确定

锚杆锚固力的取决于围岩强度，其表达式为：

式中：Pm为锚杆锚固力，kN；D为锚杆直径，取0.018 m；fp为巷道锚固段围岩普氏系数，顶板取5，两帮取1.5；σt为锚杆的抗拉强度，取 400×103kPa。

将数据代入式（8）可得顶锚杆的锚固力为72.7kN，帮锚杆锚固力应为43.6 kN。

3.2.4 锚杆根数的确定

锚杆所需根数与巷道围岩压力、锚杆间排距以及锚固力等因素有关，顶板所受压力可表示为：

式中：QD为巷道顶板所受压力，kN；γD为巷道顶板平均容重，取25 kN/m3；B1为巷道轴向单位长度，取1 m；其余符号含义与前相同。

将数据代入式（9）可得巷道顶板所受压力为205 kN。

巷道两帮所受压力为：

式中：QB为巷道两帮所受压力，kN；γB为巷道两帮平均容重，取24 kN/m3；其余符号含义与前相同。

将数据代入式（10）可得巷道两帮所受压力为23 kN。

则回采巷道所需锚杆根数为：

式中：Nm为锚杆所需根数；K为安全系数，顶板取1.5，两帮取3；Q为巷道所受压力，顶板取205 kN，两帮取23 kN。

将数据代入公式（11）可得：顶锚杆根数为4.3，帮锚杆根数为1.6。取整数，每个断面顶锚杆设置5根，帮锚杆设置2根[4]。

根据上述计算，该矿回采巷道支护断面图如图2所示。

图2 回采巷道锚杆支护设计图（单位：mm）

4 结论

根据某矿薄煤层实际地质情况，通过分析计算，得到以下结论：

1）确定巷道合理尺寸，认为巷道净高应为2.2 m，巷道净宽应为5.4 m；

2）确定巷道锚杆合理支护参数，巷道顶板锚杆直径为18 mm，长度为1.8 m，间排距为1 m，每排布置5根，两侧锚杆向两帮倾斜30°布置，其余均垂直顶板布置；两帮锚杆直径为18 mm，长度为1.4 m，间排距为1 m，每帮每排布置2根，均垂直两帮布置。