辛置煤矿厚煤层回采巷道锚杆支护技术应用

毛望平

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

辛置煤矿位于山西省霍州市辛置镇，目前主采的2#煤层，煤层厚度为3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤层倾角2°～6°，平均倾角为4°。2#煤层直接顶为均厚3.0 m 的泥岩、砂泥岩互层，老顶为均厚7.2 m 的K8中细砂岩，直接底为均厚4.5 m的泥岩，老底为均厚6.5 m 的中砂岩，煤层稳定可采，平均埋深187 m，顶底板岩层情况如表1 所示。

表1 2#煤层顶底板岩层情况

2 厚煤层回采巷道锚杆支护参数研究

2.1 锚杆长度设计

辛置矿2-208 回采巷道断面形状为矩形，巷道断面尺寸为宽×高=4.8 m×3.9 m。 理想条件下，矩形断面的回采巷道围岩弹性状态及非弹性状态范围如图1 所示。

图1 理想条件下矩形巷道围岩力学状态分布

非弹性区域等效圆半径可由下式计算：

式中：r1为非弹性区等效圆半径，m；P为围岩地应力，MPa；C为煤层粘聚力，0.5 MPa；φ为煤层内摩擦角，37°。

回采巷道顶板的非弹性区范围计算公式为：

式中：h为巷道高度，3.9 m。

回采巷道两帮的非弹性区范围计算公式为：

a2=r1-b=1.4 m

式中：b为巷道宽度的一半，2.4 m。

根据锚杆支护理论可知锚杆长度可由下式计算：

L= a +L0+L1

式中：a 为巷道围岩非弹性区范围，其中顶板a1=1.85 m，两帮a2=1.4 m；L0为锚杆外露长度，0.2 m；L1为锚杆锚固端长度，0.5 m。

计算可得顶板锚杆长度L顶=2.55 m，两帮锚杆长度L帮=2.1 m，则顶锚杆长度可设计为2.6 m、2.8 m 和3.0 m，帮锚杆长度可设计为2.2 m、2.4 m 和2.6 m。

2.2 锚杆间排距设计

如图2 所示，依据锚杆锚固支护理论，锚杆加固拱范围与锚杆间排距之间满足以下关系式：

图2 围岩锚固体压缩带

式中：b 为加固拱宽度，1.2 m；L 为锚杆的有效长度，分别取2.0 m、2.2 m 和2.4 m；α 为锚杆的控制角，45°；α′为锚杆的间排距，m。

通过上式计算可得锚杆间排距为0.8 m、1.0 m 和1.2 m。

2.3 锚杆直径设计

按照锚杆支护强度原则[1-2]，锚杆直径可由下式计算：

式中：d为锚杆直径，mm；Q为锚杆锚固力，50 kN；σt为锚杆抗拉强度，335 MPa。

计算可得锚杆直径d=13.58 mm，因此锚杆直径可设计为16 mm、18 mm 和20 mm。

2.4 锚索支护参数设计

锚索支护作用原理[3-5]如图3 所示。

图3 锚索悬吊作用原理

根据现场顶板岩层赋存情况及相邻工作面支护效果，锚索锚固端应锚固在基本顶K8中细砂岩中，锚索直径设计为17.8 mm，长度设计为8.3 m，锚索间距设计为1.6 m。

3 厚煤层回采巷道支护效果分析

3.1 设计方案

按照前述理论分析，综合考虑现场地质条件及相邻巷道支护效果，2-208 回采巷道设计采用“锚杆+ 锚索+ 金属网”的联合支护方案[1-5]，支护参数如下： 顶锚杆选用φ20 mm×3 000 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，每排布置6 根锚杆，巷道肩角位置锚杆与竖直方向夹角为15°，其余锚杆垂直于顶板布置。锚索选用φ17.8 mm×8 300 mm 的钢绞线，间排距为800 mm×1600 mm，每排在巷道顶板中部位置布置两根锚索。 两帮选用φ18 mm×2 400 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×800 mm，每帮布置4 根锚杆。 为提升锚杆支护的整体性，选用5 000 mm×280 mm×4 mm 的W 钢带连接。

3.2 工业性试验

为了解支护效果，在2-208 回风巷道距离开切眼50 m、100 m、150 m 三个位置布置综合测站，分别对锚杆锚固力、顶板离层量、顶底板移近量、两帮移近量进行现场监测，监测结果如图4、图5 所示。

图4 锚杆锚固力试验结果

图5 巷道变形现场监测结果

在2-208 回风巷监测范围内，随机选取16 根锚杆进行拉拔试验，其中顶锚杆和帮锚杆各8 根，如图5 所示。 拉拔试验结果表明，顶锚杆锚固力均超过帮锚杆的锚固力，顶锚杆锚固力基本保证超过80 kN，而帮锚杆锚固力基本保证超过60 kN，锚杆锚固力满足现场支护要求。

为准确了解顶板离层情况，分别监测锚杆锚固范围内2.5 m 位置和锚固范围外10 m 位置的离层情况，监测结果如图5（a）和5（b）所示，锚固范围内离层量仅为7 mm，而锚固范围外离层量约为前者的两倍，也仅为14 mm，表明支护效果良好，有效地防止了顶板岩层离层现象的发生。 由图5（c）和5（d）可知，巷道两帮移近量最大值达80 mm，顶底板移近量最大值达70 mm，两帮变形量略大于顶底板变形量。 总体来看，巷道围岩变形量不大，满足现场的安全生产要求。

4 结语

以辛置煤矿2-208 工作面回采巷道为工程背景，采用理论分析、工程类比和数值模拟的方法，对厚煤层回采巷道支护方式进行了设计，确定采用“锚杆+ 锚索+ 金属网”的联合支护方案进行巷道支护。 通过现场工业性试验，巷道变形量较小，可以满足现场的安全生产需求。