西曲矿8号煤层支护设计研究

靳学治

（西山煤电西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

目前，对于巷道的锚杆支护设计，主要有以下三种方法：工程类比、理论计算和数值模拟。工程类比主要是指根据已开采矿井的成功实践经验来确定相似条件下的巷道锚杆支护方案，但该方法大多没有理论依据；理论计算即利用相关理论确定锚杆支护的主要参数，但依据不同的理论所得的计算结果也各不相同；数值模拟是指利用相关计算机软件对不同的支护方案进行模拟计算，从而得到最佳的方案，但由于在实际操作中会对模型进行很多简化，使所得结果更偏于理想化，一般设计不会单独使用该方法，大多作为一种辅助和验证的工具。本文主要针对西曲矿28307工作面的实际情况，利用悬吊理论和工程类比确定最为合理的支护方案。

1 工程背景

西曲矿是山西焦煤西山煤电旗下主力矿井，位于山西省古交市附近。28307工作面位于北三盘区南部，主采8号煤层，地面标高1 193～1 307 m，工作面标高1 050～1 130 m；工作面走向长约1 015 m，倾向长约180 m；工作面煤层厚度为3.80～4.40 m，平均4.20 m，煤层倾角为1°～11°，平均4°，属于近水平煤层；煤层含有一次泥岩伪顶，厚度约0.6 m，直接顶为3.85 m厚的石灰岩，老顶为1.25 m厚的粉砂岩；直接底为2.08m的中粒砂岩，老底为0.7 m的炭质泥岩，如图1所示。

现根据工作面的实际地质情况，设计煤巷的锚杆支护方案，以保障工作面生产的安全进行。

2 支护方案初设

28405工作面位于北四盘区，主采8号煤层，煤层赋存条件与本工作面十分相似，利用工程类比对本工作面支护设计方案进行初步确定[1-3]。28405工作面回采巷道支护参数为：顶锚杆选用20Mn螺纹等强度锚杆，长度为1.8 m，直径为20 mm，顶锚杆共5根，采用矩形布置，间排距为1.1 m×1.0 m。两帮采用采用树脂锚杆，直径为18 mm，长度为1.6 m，最上部的锚杆与顶板间距0.5 m，间排距为1.0 m×1.0 m。

图1 工作面岩层柱状图

3 理论计算

巷道围岩受工作面采动影响会发生塑性破坏，利用锚杆支护，可在围岩内形成锚固区域，使围岩保持完整与稳定。利用悬吊理论，对工作面巷道支护参数进行计算。

3.1 巷道破坏范围的确定

1）计算巷道两帮的破坏深度为：

式中：σc为煤层矿压强度，取15 MPa；γ为岩层平均容重，取25 kN/m3；H为埋深，取160 m；α为煤层倾角，取4°；M为采高，取4.2 m；l为巷道宽度，取4.5 m；μ为煤层泊松比，取0.4；φ为煤层内摩擦角，取37°；Kσ为全煤巷道应力集中系数，Kσ=KsKa，其中Ks为应力集中系数，一般矩形巷道取2.3，Ka为采空区影响系数，有：

式中：X为煤柱宽度，取20 m；σr为老顶抗压强度，取105 MPa；hi为直接顶厚度，取3.85 m。将数据代入式（2），可得 Ka为 1.75，因此，Kσ为 4.02。代入式（1），可得两帮破坏深度C=0.289 m。

2）巷道顶板的破坏高度为：

式中：b为巷道顶板破坏深度，m；Ky为巷道顶板完整性系数，取0.85，其余符号与上式相同。经计算巷道顶板破坏深度为0.83 m。

3.2 顶锚杆支护参数的确定

3.2.1 锚杆长度

一般地，锚杆支护长度为L=L1+L2+L3，其中，L1为外露长度，一般取0.2 m，L2为有效长度，即破坏深度取0.83 m，L3为锚固段长度，取0.4 m，则，锚杆长度应大于1.43 m，初步设计中顶锚杆长度为1.8 m，满足巷道需求[4]。

3.2.2 锚杆直径

锚杆直径可由下式计算得到：

式中：d为锚杆直径，mm；Q为锚固力，取100 kN；σt为锚杆抗拉强度，取500 MPa，则锚杆直径最小应为15.89 mm，初选设计中顶锚杆直径为20 mm，满足巷道需求。

3.2.3 锚杆排距

锚杆一般按等距排列，排距可由下式求得：

式中：K为安全系数，取3.0；其余符号与前面相同。则锚杆排距为1.24 m。在初选方案中，顶锚杆排距为1.1 m×1.0 m，完全满足巷道的需求。

3.3 帮锚杆支护参数的确定

通过前面的计算可知，巷道两帮的破坏深度仅为0.289 m，一般来讲，破坏深度小于0.3 m时，不需要进行支护。但是，由于工作面煤层较厚，平均达4.2 m，容易发生片帮现象，因此，仍需进行一定的支护，通过采区邻近工作面的巷道支护方案可知，按照初选方案即可满足巷道两帮支护的需求[5]。

4 结语

通过悬吊理论计算可知，28307工作面锚杆支护初步设计完全满足安全生产的需求。在锚杆施工过程中，要注意严格遵守施工规范，保证巷道的支护质量，防止安全事故的发生。

对28307工作面进行的实际，通过监测巷道顶板和两帮的移近量可知，在开采过程中，巷道围岩变形很小，满足工作面安全生产的要求，没有发生冒顶和片帮等相关事故。因此，28307工作面巷道支护设计取得了较好的效果，可为矿井类似条件下的锚杆支护设计提供借鉴。