坚硬顶板条件下巷道支护设计

文/唐和忠牛胜建

（作者系山西煤炭运销集团盛泰煤业有限公司矿长）

一、概况

山西煤炭运销集团盛泰煤业有限公司设计生产能力120 万t/a，井下中央大巷、采区巷道均布置在主采的15# 煤层中， 沿煤层顶板掘进，15# 煤层直接顶板为K2 灰岩， 厚度在6~10m 之间，K2 灰岩下偶见厚度不足20cm 的炭质泥岩作为煤层伪顶，开采时随采随落。 K2 灰岩在大部地段为硬质岩，其密度为2.7g/cm3，含水率为0.3%，平均饱和极限抗压强度为69.2MPa，平均天然极限抗压强度为169.3MPa， 内摩擦角为43°24′， 凝聚力为16.2MPa， 切线模量为0.4×105MPa， 变形系数为0.43×105MPa，泊松比为0.16，普氏硬度系数为16.9；部分地段的K2 灰岩底部，厚度1m 左右，泥质含量增高， 岩石强度降低， 其密度为2.72g/cm3，含水率为0.22%，饱和极限抗压强度平均值为52.52MPa。

设计支护时， 采用工程类比法和理论计算法相结合， 主要包括巷道地质与生产条件及地质力学评估结果、 锚杆支护形式设计、锚杆支护参数设计、锚杆支护材料选择、锚杆支护施工工艺、锚杆支护矿压监测设计、巷道围岩复杂地段支护设计、采动影响时巷道超前支护设计等内容。

二、巷道帮顶锚固参数

1．巷道帮锚固参数

巷道设计净宽5.0m，净高3.5m。 沿煤层顶板掘进， 顶板岩层平均容重取27KN/m3，顶板岩体的普氏系数取11.0，两帮煤岩体普氏系数取2.0，内摩擦角取30°，单根帮锚杆锚固力取80KN，树脂药卷粘结强度取1.0MPa。 则两帮锚固参数确定如下：

（1） 两帮所需要的锚固强度：P=q [(1－sinφ)/(1 +sinφ)] =215.04 ×[(1 －sin30° )/（1 +sin30°）]=71.68KPa

其中，q 为两帮可承载锚固体所受载荷集 度：q=[(b＇－b)/2l3][∑h+(b＇/2f)]γ=[(9.04－5.0 ）/（2×0.7）](0.5+9.04/4)×27=215.04KPa

b＇ 为 巷 道 等 效 跨 度：b＇ =5.0 +2 ×3.5tan30°≈9.04m两帮可承载锚固体厚度：l3=（1/5）h0=1/5×3.5=0.7m

（2） 锚杆布置密度：n=p/p0=71.68/80=0.896

帮锚杆布置间排距：a=(1/n)1/2=(1/0.896)1/2≈1.056m

根据巷道断面参数， 取帮锚杆排距为1.2m，间距为1.2m，每排3 根锚杆，上下帮锚杆距离顶底板0.55m，并且分别向顶底板倾斜约20°。

(3)锚杆长度为：l=l1+l2+l3+l4+l5

其中， 黏锚力积聚段长度：l1=1/2×[P0/(πφC0)]=1/2×[80/(3.14×0.028×1000)]=0.45m

锚固端锚杆影响区未重叠区厚度为：

l2=(a/2)tan45°=1.1/2×1=0.55m

锚尾端锚杆影响区未重叠区厚度为：l4=[(a－0.1)/2]tan45°=0.5m

锚杆外露长度为l5，根据锚杆施工工艺，一般取0.05m。

锚杆总长度l=l1+l2+l3+l4+l5=0.45+0.55+0.7+0.5+0.05=2.25m，取为1.8m。

（4）锚固长度：L锚=2l1=0.9m

（5）锚固剂的选取。 根据设计，药卷长度L药=0.74m， 选取树脂药卷K2335 和Z2360各一支。

2．巷道顶板锚固参数

（1）顶板支护载荷集度：q=[∑h+(2kM+b)/2f] γ =[0.5 +(2 ×3.5 ＋9.04)/(2 ×11)] ×27 =33.19KPa

（2） 顶板锚固布置密度：n=(KK＇q)/F=(2×

1.2 ×33.19)/100=0.797

顶锚杆布置间排距：a=(1/n)1/2=(1/0.797)1/2≈

1.12 m

根据断面参数， 取顶锚杆排距为1.2m，间距为1.1m，每排5 根锚杆，靠近两帮的锚杆距离巷帮0.30m，并且分别向巷帮倾斜约20°。

（3）锚杆长度的确定：顶板锚杆长度为

l=l1+l2+l3+l4+l5=0.57+0.55+0.7+0.5+0.05=2.37m，取为2.2m。

式中，l1为锚杆外露长度；l2为黏锚力积聚段长度；l3为可承载锚固结构厚度；l4为锚固段锚固力未重叠区高度；l5为围岩外表面锚固力未重叠区高度。

（4）锚固长度的确定：根据顶板岩层锚固条件，锚固长度为：L锚=1.14m

（5）锚杆锚固剂的选取：根据设计，药卷长度：L药=0.94m， 选取树脂药卷K2335 和Z2360 各一支。

三、锚固支护设计方案

根据以上理论计算分析，结合工程类比法，确定锚杆支护设计。

支护方式：锚杆+钢筋焊结网；

表面封闭方式：喷射混凝土，喷射厚度

100mm；

锚杆材料：左旋螺纹钢（25MnSi），顶锚杆Ф20×2200mm，帮锚杆Ф20×1800mm；

顶锚杆钻孔深度2150mm， 外露50mm，排距1200mm，间距1100mm，靠近两帮的顶锚 杆 向 两 帮 倾 斜20°， 锚 固 剂：K2335 和Z2360 各一支；

帮锚杆钻孔深度1750mm， 外露50mm，排距1200mm，间距1200mm，靠近顶板和底板的帮锚杆向两帮倾斜20°， 锚固剂：K2335和Z2360 各一支。

四、结论

采用理论计算法和工程类比法相结合，对坚硬顶板巷道进行支护设计，对巷道地质与生产条件及地质力学评估结果、锚杆支护形式设计、锚杆支护参数设计、锚杆材料选择等进行合理设计，为盛泰煤业矿井巷道支护提供技术保障。 但是矿井地质条件千变万化，随着地质条件的变化，还需及时调整支护参数，特别注重锚杆、锚索的支护质量检查与受力监测，在施工经验和监测资料的积累基础上，不断总结经验，进一步完善盛泰煤业巷道锚固设计方法及支护参数的选取。