72911 工作面巷道锚杆支护合理参数的确定

李智生

（山西焦煤西山煤电集团公司，山西 太原 030053）

1 概况

杜儿坪矿72911 工作面埋深平均为614.5 m，走向长1375 m，倾斜长249 m，煤层均厚2.3 m，倾角平均6°。基本顶为K6 粉砂岩，均厚3.93 m；直接顶为砂质泥岩，均厚1.94 m；直接底为细粒砂岩，均厚1.00 m；基本底为K5 粗砂岩，均厚4.67 m。两顺槽均为矩形巷道，宽4.2 m，高3.0 m。

2 锚杆支护理论分析及关键参数的确定

2.1 巷帮破坏深度

（1）巷帮破坏深度按照式（1）计算确定：

式中：C为巷帮破坏深度，m；Kσ为应力集中系数；σcc为被巷道切割的煤层单轴抗压强度，MPa；γ为巷道上覆岩层的平均容重，取25 kN/m3；H为巷道埋深，取614.5 m；α为煤层倾角，取平均值6°；hc为被巷道切割的煤层厚度，取2.3 m；l为巷道切割煤层的最大宽度，取4.2 m；μ为煤体泊松比；φ为煤层内摩擦角。

应力集中系数Kσ可由式（2）确定：

式中：KS为与巷道断面形状有关的应力集中系数，矩形巷道取2.3；Kα为受临近工作面采空区影响系数，按式（3）确定。

式中：x为煤柱实际宽度，取26 m；σrm为基本顶单轴抗压强度；h为采高，取2.3 m；hi为直接顶厚度，取1.94 m。煤层单轴抗压强度为12 MPa，泊松比为0.38，内摩擦角为50°，基本顶单轴抗压强度为60 MPa。将上述参数代入公式（3）中，得到Kα=1.09；代入式（2）中，得到Kσ=2.51；代入式（1）中，得到巷帮破坏深度C=1.43 m。

2.2 巷道顶板破坏高度

顶板为均质岩层时，巷道顶板破坏高度b由式（4）确定：

式中：a为巷道的半跨距，取2.1 m；C为巷帮破坏深度，由前述计算得到为1.43 m；λ为侧压系数，根据地应力测量获得，λ=0.69；σcr为顶板岩层单轴抗压强度，取直接顶岩层的单轴抗压强度40 MPa；Ky为顶板岩层完整系数，按照式（5）确定。

式中：D1为顶板岩层节理间距，取0.3 m；D2为顶板岩层分层厚度，先取直接顶厚度，为1.94 m。由此获得Ky=0.63，巷道顶板破坏高度b=1.28 m。由于巷道顶板破坏高度计算值小于直接顶厚度，该高度取1.28 m。

2.3 巷帮载荷集度

由此计算获得巷帮载荷集度Qs=57.21 kN/m。

2.4 顶板载荷集度

顶板载荷集度采用公式（8）确定：

式中：σcrm为老顶单轴抗压强度，为60 MPa；其余各参数均已前述，代入可得Qr=187.31 kN/m。

2.5 顶板锚杆参数设计

（1）锚杆长度

包括外露长度Lout、有效长度Leff和锚固段长度Lfix，由式（9）确定：

根据现有实践经验，锚固段长度取0.8 m。锚固段长度必须大于直接顶厚度。直接顶平均总厚度为1.94 m，煤层厚度平均2.3 m，设计巷道高度为3.0 m，顶板破坏高度为1.28 m，锚杆有效长度必须大于巷道切割后的直接顶厚度或者大于顶板破坏高度，取最大值1.28 m。因此，锚杆长度L≥2.08 m，取L=2.1 m。

（2）锚杆杆体直径

锚杆直径d根据杆体承载能力和锚固力Q等强度原则，按照式（10）确定：

式中：σt为锚杆杆体的抗拉强度，也是杆体的承载能力。据实践经验，Q=105 kN，σt=500 MPa，直接代入可得锚杆杆体直径为16.28 mm，根据螺纹钢型号，直接取为20 mm。

（3）锚杆的排距

锚杆排距D按照式（11）确定：

式中K'为安全系数，一般取2～5，这里取3。将前述上述参数代入式（11）中，可得D=0.94 m，取1.0 m。

（4）每排锚杆数量

每排锚杆数量按照式（12）确定：

式中K″为安全系数，一般取2～5，这里取3。可得N=5.35，取整N=6。

（5）支护形式

考虑回采期间基本顶破断影响顺槽超前、巷道跨距较大上覆岩层的蠕变变形，施工时在巷道中部增加一对长度5.3 m 的锚索，采用钢带连接锚杆、锚索，再铺设金属网防止表面煤岩层风化。确定巷道顶板为“锚杆+锚索+钢带+金属网”、两帮为“锚杆+金属网”的支护形式。

（6）巷道支护方案

如图1，螺纹钢锚杆每排6 根，锚索每排2 根，采用3800 mm 钢带和菱形金属网配合锚杆、锚索支护。锚索和锚杆全部打进钢带内。

两帮采用三排规格为Φ20 mm×2100 mm 螺纹钢锚杆加菱形金属网支护，锚杆矩形布置，间排距900 mm×1000 mm，每根帮锚杆装MSCK2360 型药卷1 卷。

3 巷道变形监测

（1）巷道变形监测点布置

在72911 工作面顺槽掘进过程中，两顺槽顶板和两帮沿巷道长度方向布置3 个巷道监测站，分别测量顶底板移近量和两帮变形量。其中1 号观测站距离大巷100 m，2#和3#分别距离1#测点50 m、100 m。

（2）巷道变形监测结果分析

如图2 所示为1 号测站在掘进期间巷道表面变形。在掘进面超过预设测站位置后，确定测量点位，标记并平整点位，每天对测站的点位进行巷道两帮和顶底板变形量的测量，共监测近50 d。

从图2 可知，在测量期内巷道顶底板变形量总共约为134 mm，两帮移近量总共约为55 mm，顶底变形量大于两帮。整体看，在巷道形成后，巷道表面变形量几乎呈线性增加，约35 d 后趋于稳定。在线性增加阶段，顶底板变形速率约为4.02 mm/d，两帮变形速率约为1.33 mm/d。35 d 后，巷道表面变形速率降低，巷道变形处于稳定阶段。由此确定，上述支护方案可以有效维护巷道围岩，满足生产要求。

图1 巷道支护方案图

图2 巷道表面变形监测结果

4 结论

72911 工作面采用理论分析获得在巷道尺寸为4200 mm（宽）×3000 mm（高）情况下，巷帮破坏深度1.43 m，顶板破坏高度1.28 m，巷帮载荷集度57.21 kN/m，顶板载荷集度187.31 kN/m，确定了锚杆直径、长度和间排距，采用“锚杆+锚索+钢带+金属网”联合支护方案。经监测，巷道顶底板变形量和两帮移近量能够满足安全生产需要。