隆博煤业2-5012回采巷道支护方案设计

甄向宇

(霍州煤电宏大隆博煤业，山西 临汾 042101)

1 工程背景

霍州煤电临汾宏大隆博煤业行政隶属于山西省临汾市乡宁县西交口乡阳塔村，井田主要可采煤层有2号、8号、9号、13号等煤层，其中2号煤层盖山厚度为494～540 m，煤层平均厚度为3.4 m，含两层夹矸。煤层结构为：0.3(0.25)1.4(0.32)0.93，煤体结构稳定，煤层倾角0～8°，平均倾角4°，普氏系数f=4.0～6.0。如表1所示，2号煤层伪顶为0.5 m的泥岩，直接顶为3.9 m的粉砂岩，基本顶为5.4 m的细粒砂岩，直接底为1.4 m的泥岩，老底为2.8 m的中粒砂岩。

表1 2号煤层顶底板岩性

通过分析现场矿压监测数据，发现2号煤层回采巷道存在过度支护的问题，因此对2-5012工作面回采巷道支护方案进行重新设计，以避免过度支护造成资源浪费[1-4]。

2 方案设计

2.1 锚杆参数

1) 锚杆长度。锚杆长度可由下式计算：

L=KH+L1+L2

式中：L为锚杆全长，m；H为普氏免压拱高度，m；K为安全系数，取1.8；L1为锚杆锚入稳定岩层的长度，取0.6 m；L2为锚杆外露长度，取0.3 m。H=B/2f，B为巷道跨度，取4.5 m；f为顶板岩层的普氏系数，取4。

计算可得：L=1.912 5 m。

依据上述计算结果，综合考虑同一水平相邻采面回采时，受采动影响后顶板锚杆支护情况，锚杆长度选取2.2 m。

2) 锚杆直径。按杆体强度和锚固力相匹配的原则确定杆体直径,由于本矿锚杆采用MSGLW-335/22×2400型号的左旋螺纹钢式树脂锚杆，则其直径应以下公式计算：

式中：d为锚杆直径，m；Q为锚杆设计锚固力，取127 kN；σt为杆体屈服强度，取335 MPa。

计算可得：d=21.98 mm。

依据上述计算结果，根据同一水平相邻采面回采时，受采动影响后顶板锚杆支护情况分析，锚杆直径选取22 mm。

3) 锚杆间、排距。锚杆间排距可由下式计算：

式中：a为锚杆间排距，m；d为锚杆直径，22 mm；σt为杆体抗拉强度(屈服强度)，335 MPa；γ为岩体容重，25 kN/m3。

计算可得：a≤1.17 m。

依据上述计算，同时根据隆博矿已掘巷道与工程类比法分析，为确保施工安全，顶部每排为6根锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm。帮锚杆与顶锚杆同材质、同型号，帮部每帮每排5根锚杆，间排距为850 mm×1 000 mm，根据2507顺槽巷受采动巷道变化情况，煤柱侧帮部优化为每隔一排第1根、第5根为帮锚杆，第2、3、4根为帮锚索，采煤侧为5根帮锚杆。

2.2 锚索参数

锚索长度可由下式计算：

L索≥L外露+L锁具+L悬吊+L锚固

式中：L外露为锚索外露长度，0.3 m；L锁具为锁具、钢板厚度，0.2 m；L悬吊为锚索悬吊的不稳定岩层厚度，3.95 m；L锚固为锚固端长度，1.8 m。

计算可得锚索长度为L索≥6.2 m。

依据上述计算结果，根据同一水平相邻采面回采时，受采动影响后顶板锚索支护情况分析，顶锚索长度选取6.5 m。

根据上述计算结果，结合以往的回采巷道支护经验，确定2-5012工作面回采巷道采用锚网(索)+W钢带联合支护的方案进行支护。为加强巷帮支护，煤柱侧巷帮为每隔一排，第1根、第5根为帮锚杆，第2、3、4根为帮锚索支护，顶锚杆选用D22 mm×2 000 mm高强左旋螺纹钢锚杆支护，帮锚杆选用D22 mm×2 000 mm高强全螺纹锚杆，顶帮锚杆均配合4 mm厚的W钢带+(长×宽×厚=120 mm×120 mm×10 mm)压制蝶形托盘+调心球垫+减磨垫片+螺母支护；帮锚索采用D21.6 mm×4 200 mm的钢绞线配合120 mm×120 mm×10 mm压制蝶形托+锁具支护，要求锚索外露150～250 mm，锚固力≥225 kN，预紧力≥180 kN。顶W钢带规格：4400 mm×220 mm×4 mm、帮W钢带规格：3 700 mm×220 mm×4 mm，顶部每排为6根锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm，帮部每帮每排5根锚杆，间排距为850 mm×1 000 mm；锚杆、W钢带均垂直巷帮布置。

顶板锚索布置，一排间距1 500 mm、每隔4 m在巷中布置“三眼”组合锚索，排距4 000 mm，掘进时交替布置。锚索采用D21.6 mm×7 200 mm的钢绞线配合250 mm×250 mm×16 mm钢托板+锁具支护， “三眼”组合锚索采用D21.6 mm×12 200 mm的钢绞线配合500 mm×500 mm×16 mm钢托板+锁具支护。

3 现场试验

3.1 数值模拟

根据2-5012工作面回采巷道的地质条件建立数值模型，巷道断面尺寸为宽×高=4.5 m×3.8 m，埋深510 m，模型尺寸为X×Y×Z=100 m×200 ×100 m，数值模拟结果如图1所示。

图1 数值模拟结果

如图1所示，以前述方案对回采巷道进行支护时，最大竖直应力为2.5 MPa，仅在巷道顶板及底板中央位置出现了部分塑性区域，巷道围岩大部分仍处于弹性状态。在工作面回采过程中，在距离工作面30 m范围内，巷道围岩变形量明显增大，最终顶板变形量为167 mm，两帮移近量为42 mm。数值模拟结果表明，前述支护方案支护效果良好，可以满足煤矿安全生产需求。

3.2 现场监测

为验证前述支护方案的现场支护效果，在2-5012回风巷距离开切眼100 m和150 m位置布置两个综合监测点，分别对锚杆应力及巷道围岩变形进行现场监测，监测结果如图2所示。

图2 现场监测曲线图

如图2所示，在工作面回采过程中，超前支承压力影响范围约为50 m。在距离工作面50 m范围内时，锚杆应力开始发生变化；在距离工作面15～20 m范围内时，锚杆应力达到最大值；在距离工作面10 m以内时，由于距离工作面较近，受开采扰动的影响，围岩发生破坏，因此煤柱侧锚杆应力开始降低。巷道顶底板移近量最大值为218 mm，两帮移近量最大值为175 mm，整体来看，巷道围岩变形量不大，锚杆工作状态良好，可以满足矿方的安全生产需求，表明支护方案是合理的。

4 结 语

本文以隆博煤业2-5012工作面回采巷道为工程背景，采用理论分析和数值模拟的方法，确定回采巷道采用锚网(索)+W钢带的联合支护方案。顶锚杆选用D22 mm×2 000 mm高强左旋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm；顶板锚索规格为D21.6 mm×7 200 mm，采用三眼布置，间排距为1 500 mm×4 000 mm；帮锚杆选用D22 mm×2 000 mm高强全螺纹锚杆，间排距为850 mm×1 000 mm。为加强巷帮支护，煤柱侧巷帮为每隔一排，第1根、第5根为帮锚杆，第2、3、4根为帮锚索支护。顶W钢带规格为4 400 mm×220 mm×4 mm，帮W钢带规格为3 700 mm×220 mm×4 mm。对2-5012回风巷进行现场监测，结果表明巷道围岩整体变形量较小，锚杆(索)可以起到有效的支护作用，满足矿方的安全生产需求。