新方煤矿回采巷道支护参数设计及优化

根据新方煤矿各煤层地质、生产技术条件, 围岩特点及围岩的分类结果, 提出新方煤矿回采巷道的参考支护型式为锚网索 (梁) 联合支护。但由于现场地质条件和围岩局部受力变化比较大, 实际的支护形式可根据现场条件适当调整: (1) 当顶板较完整时, 可局部取消金属网或取消钢筋梁, 但金属网和钢筋梁最好不要同时取消; (2) 当两帮煤很软较破碎时, 增加钢筋梁 (或W钢带) 。

1 锚杆支护参数设计

1.1 锚杆长度

式中:L顶、L帮分别为顶和帮锚杆长度, m;

l1为锚杆外露长度, 取0.1m;

l2为顶锚杆伸入松动圈外长度, 取0.25m;

Z为帮锚杆伸出非有效承载区的最小锚固深度, 取0.5m~0.7m;

l3为两帮有效承载区深度, m;

f煤为煤层普氏系数。

根据对中层煤的点荷载实验, 可知中煤层的抗压强度为19.8MPa, 所以其普氏系数f煤=1.98, 根据新方煤矿地质报告提供的数据, 上中下三层煤性质基本一致, 硬度及顶板条件相差不大, 围岩基本上属于同一类别, 所以各参数适用于上中下煤层回采巷道支护。

巷道宽度取3米, 顶板松动圈长度取1.55米, 帮取1.65米, 则:

1.2 锚杆直径

顶和帮锚杆分别选用Ⅱ级建筑螺纹钢, 锚杆直径设计依据式 (4) 。

式中:F为单根锚杆设计锚固力, 顶、帮锚杆分别为70kN、50kN;

py为锚杆材料的屈服强度, MPa。

由式 (4) 可分别计算出顶和帮锚杆的直径为0.016m、0.0178m, 设计时取顶和帮锚杆直径均为18mm。

1.3 锚杆间排距

锚杆支护密度

式中:ps顶, ps帮分别为顶锚杆和帮锚杆支护密度, 根/m2;

k为安全系数;

r, rc分别为顶岩层容重和煤的容重, k g/m3;

Q为考虑采动影响煤帮侧压, t/m 2, 依据式 (7) 计算;

kd为采动影响系数;

c为巷道一侧松动宽度, m, 依式 (8) 计算;

ψc, α分别为煤体内摩擦角和煤层倾角;

b为潜在平衡拱高度, m, 依式 (9) 计算;

a为巷道顶板有效跨距之半, m;

fz为直接顶综合普氏系数;

ky为顶部煤岩类型系数, 取0.4。

由式 (5) 、 (6) 可分别计算出顶锚杆和帮锚杆的支护密度为1.14根/m2、1.23根/m2, 则1/ps顶=0.87。

由此取顶锚杆的间排距为8 0 0×800mm。

帮锚杆间距s为:

由此取帮锚杆间距s为800mm。

2 锚索支护参数设计

根据新方煤矿矿井地质报告 (2004年10月) , 煤层上方有一层砂页岩或泥页岩, 上层煤为1.1m~5.67m, 平均3.45m;上层煤为1.56m~6.6m, 平均3.45m;下层煤为0.5m~6.9m, 平均4.16m。该岩层破碎易垮, 稳定性差, 与上方中粗砂岩的粘结力较弱, 容易造成垮塌, 为了保证安全, 避免大面积局冒, 所以当该岩层厚度超过1.6m, 且顶板破碎, 节理裂隙发育时, 应当采用锚网索支护方案。

锚索是近些年来发展起来的新型支护方式, 对围岩具有较强的控制能力, 其锚固力可达300kN以上, 具有如下两个特点:一是锚索的长度一般不受限制, 可根据实际需要来确定, 使其能够锚固到深部比较坚固稳定的岩层中去;二是可施加相当数量级的顶应力, 是一种有效的主动支护形式。

锚索采用D15.2mm的钢绞线, 采用树脂锚固剂实现端头锚固, 配合大托盘和特制索具, 施工方便。

(1) 锚索长度的确定。

根据悬吊理论及免压拱理论计算, 即:

式中:11为锚索的外露长度, 取0.2m;

12为锚索的有效长度, 对顶板而言, l2为垮落带 (或离层) 的高度h;

13为锚索的锚固长度, 取1.5m。

根据矿方提供的采掘工作面地质条件知, 煤层上方不稳定岩层的厚度大多在2~3米, 所以垮落带 (或离层) 的高度h, 即l2取3米。

把各有关参数代入式 (10) , 可得到锚索长度为4.7m, 取l=5m。

(2) 锚索间距的确定。

考虑每根锚索承载能力与垮落带内岩石重量相等, 有:

式中:Ka为安全因数, 取1.5;

P为锚索的锚固力, 取300kN。

则锚索间排距为s=1.758m。

考虑到锚杆的支护作用, 则锚索的间排距可适当放宽。根据经验, 锚索的间距取2m~2.5 m。

锚索托盘采用240mm×240mm的大托盘, 由钢板切割而成, 厚度为12mm。树脂锚固剂直径为D23mm (配D27mm的钎头) , 长度分别为500mm (超快CK型) 和700mm (快速K型) 。在每个钻孔中分别放置超快和快速锚固剂各一卷, 要求端锚长度在1500mm以上, 锚索锚固力在300kN以上。

3 新方煤矿回采巷道锚网支护参数优化说明

(1) 通过设计得到新方煤矿回采巷道锚杆支护参数为:为了便于施工和现场操作、管理, 顶板及两帮采用Φ18×1900mmⅡ级建筑螺纹钢锚杆, 并配金属网和钢筋梁 (或W型钢带) 支护, 间排距为800×800mm。为提高锚杆的抗剪能力和控制巷道底鼓, 施工时将两帮顶、底脚锚杆上挑或下扎15°。

(2) 当地质条件变差时, 顶板支护取消钢筋梁 (带) , 增加锚索支护, 锚索长度5米, 巷道顶板中部单排, 间距2m~2.5m。

(3) 由于经费投入等原因, 围岩岩石只作了点荷载试验, 其它参数除坊子煤矿地质报告上有的以及现场监测得到的以外, 其余取至《煤矿支护手册》等其它参考资料。

(4) 由于现场地质条件变化比较大, 在实际使用时, 需要根据具体的地质及围岩条件对支护参数进行必要的调整。

摘要：锚杆支护具有“主动”支护、支护成本低、控制围岩效果好等优点, 是当今世界巷道支护技术的主要发展趋势。实践证明, 锚杆支护成功的关键是支护形式的合理选择和支护参数的科学设计, 以充分发挥围岩自身的承载能力, 进行耦合支护。本文通过对新方煤矿回采巷道特点, 在围岩分类和支护选型的基础上进行锚杆支护参数设计。

关键词：锚杆支护,围岩控制,参数