回采巷道围岩支护方案的设计

张 军

（山西西山煤电股份有限公司西铭矿， 山西 太原 030052）

引言

随着煤矿开采深度的不断增加，工作面巷道围岩的压力也随着增加，导致巷道围岩的变形量增大，因而对巷道围岩的支护效果及质量提出了更高的要求和挑战，而锚杆支护方式由于其支护效果好、操作简单等优势被广泛应用于生产中。然而，在应用过程中发现锚杆支护各类参数的设计均依靠设计人员的经验，造成巷道支护效果不佳或者过防护，导致由于巷道支护不到位的事故频发、支护材料被大量浪费等问题[1]。因此，设计人员应对工作面巷道地质、水文以及煤层等特征进行充分研究后，通过理论计算+仿真分析的方法设计支护效果最佳的巷道围岩支护方案。

1 工程背景

本文以西铭矿西部下组煤回风巷道为研究对象，采用理论计算+仿真验证的手段对该工作面巷道的支护方案进行设计。西部下组煤回风巷道断层、褶曲发育情况及分布如下。

褶曲：工作面中东部整体为单斜构造，东高西低，局部地段发育有小型背向斜构造，煤岩层倾角3°～7°，工作面西部整体呈盆状构造，煤岩层倾角3°～10°，相对低点位于工作面巷道开口前3373m处。

断层：据周边8号煤资料及上覆2号煤巷揭露资料推测，该巷掘进中开口前218 m遇正断层F8624（H=1.5 m），对掘进有一定影响，预计掘进中还将有断层出现。断层特征如表1所示。

陷落柱：因8号煤层陷落柱较发育，该巷在掘进中可能会揭露中小型陷落柱。

节理：据周边8号煤资料分析，该面局部地段顶板节理比较发育，陷落柱、断层附近构造节理较发育，对掘进有一定影响。

表1 断层特征表

工作面无火成岩侵入及煤层分叉现象。

2 支护理论

根据不同支护对围岩作用方式的不同，可将综采工作面的巷道支护分为四大类[2]：一是支护作用于围岩表面的支护方式，比如液压支架、砌碹支护以及喷射混凝土等；二是支护不仅作用于围岩表面，还作用为围岩内部的支护方式，例如，目前应用效果最佳且应用最为广泛的锚杆+锚索支护；三是通过对工作面巷道围岩特性进行优化而达到对巷道围岩加固的目的，比如向巷道围岩注浆[3]；四是采用一定的应力控制技术降低巷道围岩的应力。鉴于锚杆锚索支护效果最佳，对于西铭矿西部下组煤回风巷道工作面拟采用锚杆+锚索的联合支护。

2.1 锚杆支护机理

基于锚杆支护可将待支护的巷道围岩由载荷体转换为承载体。针对地质、水文以及煤层特征的不同，工作面锚杆的支护机理也不同[3]。但是，相似之处在于基于锚杆支护对巷道围岩内部进行加固，为确保巷道围岩的稳定性奠定基础。

2.2 锚索支护机理

锚索作为锚杆支护的重要组成部分，基于锚索可将金属网、钢筋梁等与巷道围岩组成一个整体，从而进一步提升巷道围岩的承载能力。此外，基于锚索还可提升围岩表面结构的稳定性，进而确保巷道围岩能够承受更大的拉力和剪切力[4]。

3 巷道围岩支护的设计

该工作面所采用的支护方式为锚杆+锚索的联合支护，因此需对锚杆、锚索的相关参数进行计算。

3.1 锚杆的设计

3.1.1 锚杆材料的选型

锚杆材料选型的主要依据为材料的屈服强度。根据屈服强度的等级划分，可将锚杆分为普通锚杆、高强度锚杆以及超高强度锚杆。

由于该工作面巷道埋藏较深，且在生产过程中常受到采动的影响，加之工作面的顶板为复合顶板，因此选择高强度锚杆。

3.1.2 锚杆长度的设计

经对工作面矿压监测的结果可知，本工作面巷道围岩的稳定性为四级，与其相对应的顶板锚杆的长度为2.2 m，与其对应的两帮锚杆的长度为2 m。

3.1.3 锚杆直径的设计

依据锚杆材料的承载力和锚固力对锚杆直径进行设计。本方案中采用高强度锚杆，其极限强度为182.2 kN，锚固力为60 kN。锚杆直径计算如下：

式中：Q为所选锚杆材料的锚固力；δr为所选锚杆材料的极限强度值。将数值代入上式，得出d=20.38 mm，圆整为20 mm。因此，锚杆的直径为20 mm。

3.1.4 锚杆间排距的设计

一般情况下，锚杆支护中锚杆之间的排放均是等距离排列的。锚杆间排距的计算如下：

式中：Q为锚杆的锚固力，取Q=60 kN；k为锚杆的安全系数，一般取k=2；γ为巷道围岩重量密度，取γ=25 kN/m3；lb2为锚杆的有效长度，取l=1.6 m。将数值代入上式中，经计算得出S=0.866 m。为了方便锚杆的安装，取S=0.8 m。

3.2 锚索的设计

锚索作为锚杆支护的关键部件，其主要由高强预应力钢绞线、高强预应力钢丝以及精轧螺纹钢筋组成。锚索参数的设计包括有锚索的间排距和长度的计算。

3.2.1 锚索间排距的计算

式中：a为锚索的间排距；n代表锚索的排数，n=2；F代表锚索的最大承载力，F=355 kN；B代表巷道的最大冒落宽度，B=4 m；h代表巷道的最大冒落高度，h=8 m；θ代表角锚杆与巷道顶板的夹角，θ=75°。将数值代入计算，得出锚杆间排距的最大值为1.1 m。

3.2.2 锚索长度的计算

式中：L为锚索的总长度；L1为锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，一般1.5～2.0 m，取2 m；L2为需要悬吊的不稳定岩层，取2 m；L3为上托盘+锁具的厚度，取0.2 m；L4为锚索外露的长度，取0.2 m。

将数值代入上式计算得出锚索的长度为4.4m。

4 结语

锚杆支护作为综采工作面应用最为广泛、支护效果最佳的支护方式。在实际生产中，应根据工作面巷道的地质、水文以及煤层特征对锚杆（材料、直径、长度等）和锚索（间排距、长度等）进行选型设计，确保所得巷道支护方案为最合适的，为综采工作面的高效、安全生产奠定基础。