煤矿采区巷道支护设计方案研究

摘要：随着煤炭开采量的不断增加，煤矿开采深度不断加深，开采时遇到的地质情况也是越来越复杂，对煤矿开采安全尤其是巷道支护的要求更是越来越高。目前，在煤巷支护工程中用到的最多的支护技术是锚杆支护。本文结合某煤矿巷道支护设计实例，探讨了悬吊理论设计方法，希望对类似工程的设计和建设提供借鉴作用。

关键词：回风巷；悬吊理论；支护

1 、引言

近年来煤矿开采水平向深度发展，出现的软岩工程问题越来越多。软岩巷道变形量大，支护受力大，一般采用可缩性U型钢支架，但是其不但成本高、劳动强度大，而且有时还容易发生破坏。自从围岩松动圈支护理论提出，在随后的巷道支护研究中确定主要研究对象为松动圈发展过程中的碎胀变形。人们逐渐开始用锚喷支护代替U型钢支架来解决软岩支护问题，不仅支护效果好，而且经济技术效益显著。本文结合工程实例，探讨了锚杆的悬吊作用机理，并介绍了其支护设计方法的应用。

2 、锚杆的悬吊作用机理

1952～1962年，Louis A、Pane K经过理论分析及实验室和现场测试，提出锚杆作用机理是将直接顶板悬吊到坚硬岩层上。例如，在缓倾斜岩层中锚杆的悬吊作用就是锚杆将下部不稳定的岩层（直接顶或块状结构中不稳固的岩块）悬吊在上部稳固的岩层上、阻止岩块或岩层的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，并据此设计锚杆支护参数。

悬吊软弱岩层顶板 悬吊危岩

1―锚杆 2―不稳定岩层

3―危岩 4―坚固围岩

图1 锚杆悬吊作用示意图

这一理论应用具有局限性，我国应用的锚杆长度一般为1.6～2.0m之间，当破碎带较大时，采用该理论无法设计支护参数，而且大量工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆也可以发挥其作用。例如在全煤巷道中，锚杆锚固在煤层中也能起到支护作用。

3 3、工程实例

3.1 工程概况

某煤矿西部回风巷井下位于井田西翼，位于七采区北部、八采区南部，相对地面位置位于南阳湖。巷道用途为满足西部采区的辅助运输、回风、行人、管线敷设等需要，全长约1683m。

巷道煤（岩）层赋存情况如下：

煤3下：黑色，块状，以亮煤为主，暗煤次之，沥青光泽，条痕为褐黄色。3下煤最大厚度4.03m，最小0m，平均3.5m，f =1～2。

泥岩：灰黑色泥岩，质纯，局部发育大量滑面构造，深灰色， f =2～4。

粉砂岩：深灰色，富含炭化植物碎屑化石，波状及水平层理，层面含大量炭化物，局部夹有薄煤线，f =4～6。

细砂岩：浅灰色，成份以石英为主，长石次之，含少量暗色矿物。粘土质胶结，较坚实。裂隙发育，充填有方解石脉，f =6～8。

中砂岩：灰白色，略带绿色。成份以石英为主，长石次之，含少量暗色矿物，含少量粗砂质，f =8～10。

巷道断面为半圆拱形断面，巷道净宽为5000mm，巷道净高度为4100mm，半圆拱巷道净断面积17.81 m2。

图2 西部回风巷断面示意图

3.2按悬吊作用理论锚杆支护参数计算

1）锚杆长度

式中：

L ― 锚杆长度，m；

L1 ― 锚杆在巷道中的外露长度，L1 =垫板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m，其值主要取决于锚杆类型，对于端锚锚杆，一般取0.15m；

L2 ― 锚杆有效长度，m；

L3 ― 锚杆锚入稳定岩层的锚固长度，应由拉拔试验确定，一般按经验取0.5m；

k ― 安全系数，一般取k=2；

h ― 冒落拱高度，m；

在解析法中，常用普氏自然平衡拱理论确定h的大小，

当 时，

当 时，

即：h = = 0.44（m）

式中：B ― 巷道开掘宽度，取5.3m；

f ― 岩石坚固性系数，取6；

H ― 巷道掘进高度，m；

― 岩体内摩擦角，（°）；

则：L=0.15+2×0.44+0.5=1.53m

2）锚杆杆体直径

根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，则

d=35.35

式中： d ―锚杆杆体直径，mm

Q ―设计锚固力，由拉拔试验确定，取100kN；

―杆体材料抗拉强度，取315MPa。

则：d=35.35× =20mm

3）锚杆间、排距

根据每跟锚杆悬吊岩石荷载大小确定锚杆间距（a）与排距（b）（通常a=b），即锚杆悬吊岩石荷载（G=a L γ）等于锚杆的锚固力（Q）。在考虑了安全系数k的情况下：

式中： a-锚杆间距，m；

Q-锚杆设计锚固力，100kN；

k-安全系数，一般取k=2；

h-冒落拱高度，取0.44m；

r-被悬吊岩石的容重，取12.74 kN/m3；

a= m

通过以上计算，选用直径20mm、长度2000mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚固剂选用直径23mm、长度400 mm的K2340型及CK2340型树脂锚固剂，每孔各一支；锚杆间、排距为800×800mm（±50mm）矩型布置，采用锚杆紧跟迎头方式支护，锚杆设计锚固力为100kN。

图3 西部回风巷断面支护示意图

4 、结束语

我国煤矿锚杆支护经过多年的发展， 应用范围已扩展到受动压影响的回采巷道、软岩巷道、破碎或复合顶板巷道及工作面开切眼和大断面硐室，锚杆支护的种类、结构形式及规格层出不穷，而锚杆支护设计方法却比较单一，即普遍采用工程类比法， 因而不可避免地带有一定的盲目性。因此，在设计过程中应分析不同种类锚杆结构的作用原理，考察不同设计方法的特点，探讨影响支护效果的主要因素， 明确锚杆支护技术与设计方法。本文详细介绍了悬吊理论在工程实例中的应用，希望能对类似工程问题提供借鉴。

参考文献：

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