全小明

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西 吕梁 033102）

引言

煤矿井下巷道开挖不仅会破坏岩石原有平衡，而且导致围岩应力变化，巷道需要相应的支护才能保持围岩的稳定性。合理的支护参数可提升工作面采煤过程的稳定性和安全性，同时可提高采煤的效率。支护参数若不合理，则在采煤过程中易发生坍塌冲击地压等采煤事故。[1]目前，我国井工煤矿采煤工作面以及回采巷道主要支护方法就是锚杆主动支护，国内众多采掘专家对该种支护方式进行了大量卓有成效的技术研究[2]。刘德军等总结了我国近年来的煤矿巷道支护理论和支护技术，同时展望了其发展方向[2]。康红普院士重述了煤矿锚杆支护技术的基本应用，从支护时间、支护位置、支护应力的预测，锚杆锚固方式、长度及密度等方面，阐述了锚杆的应用方式。井下应力场最终归纳为由巷道支护会产生支护应力场、原岩应力场、采动应力场三场的综合场[3]。采动应力场、原岩应力场与支护应力场“三场”的相互作用与协调是采动巷道围岩控制的本质[3]。分析研究优化支护参数提高锚杆支护效果，以适应井下各种地质条件的变化以及井下应力场的变化，以保证锚杆支护安全有效，方可有效解决围岩失稳的问题，并应用于井工煤矿的开采实践[4]。

1 木瓜煤矿10-202工作面概况

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿10-202工作面地面位于下塌水库里以北，地面位置处于晋西黄土高原-吕梁山中段西侧的中低山区[5]。地表地形较为复杂，地表主要发育侵蚀的峁、黄土梁等地貌，其次发育冲沟及黄土沟谷等地貌[5]。工作面顶面标高+852～+809 m，地面标高+1 074～+1 220 m，盖层厚度262.4～371.0 m。10-202工作面位于井田北部。根据附近钻孔地质资料可知，目前10-202工作面开采的10号煤属于石炭系太原组地层。10-202工作面区域地层为小的向斜构造，向斜走向轴部50°，倾向140°，地质构造较简单，掘进过程中发现1.2 m及1.4 m断层各一个。

工作面东西宽580 m，南北长245 m。9号煤、10号煤在工作面东南部合并，9号煤厚度为3.05～3.15 m，平均3.10 m，煤层结构为0.48（0.07）2.55；10号煤厚度为2.0～2.4 m，平均2.20 m，煤层结构为0.75（0.15）1.30。工作面煤层倾角4°～8°，平均6°为近水平煤层。煤质水分1.2%、灰分24.92%、挥发分27.48%、含硫量1.22%。10-202工作面布置如图1所示，煤层顶底板特征见下页表1。

2 巷道锚杆支护理论

图1 工作面布置示意

表1 工作面顶底板特征一览表

自然平衡拱理论认为在井巷开拓后，在重力的作用下煤层上部软弱、破碎围岩会产生冒落的现象；自然平衡拱会在一定范围内深部的围岩内形成，自然平衡拱以上的岩体会在煤层采掘过程中维持相对的稳定性[5]。根据自然平衡拱理论，结合巷道开拓时揭露的煤层及围岩的力学性质，初步设计10-202工作面应用“锚网梁+锚索”联合支护的方法。锚杆对“自然平衡”拱以下容易冒落的岩层可以固定于上部稳定的岩层；锚索锚固于深部围岩里，利用其强度，可以对锚杆锚固的地层起到保护、悬吊的作用[5]。喷浆可以起到以下几个方面的作用：以可防止小块岩石的脱落；可防止地层风化导致其强度降低；改善了地层的受力状态，由不稳定的二向应力状态转变为相对稳定的三向应力状态[5]。采用钢筋网护表和钢筋梯子梁可以有效解决10-202工作面直接顶较破碎的问题[5]。图2即为自然平衡拱理论力学模型。

3 巷道支护相关参数设计

3.1 锚杆长度参数设计

锚杆长度为锚杆外漏长度（L杆1）、锚杆的摩擦有效长度（L杆2）、深入稳定岩层锚固长度（L杆3）三者的总长，如公式（1）：

式中：L杆1取0.1 m，L顶杆3取1.0 m，L帮杆3取0.3 m；L杆2可根据普氏理论计算，见式（2）。

式中：f为顶板岩石强度系数，3.5；φ为顶板岩石内摩擦角，40°；B为巷道的宽度，5.6 m；H为巷道的高度，4.1 m。

根据式（1）（2）及相关参数计算，锚杆长度为2.0 m，巷道支护安全考虑，均选用长度为2.1m的高强锚杆作为顶锚杆，帮锚杆长度的选取应结合相邻工作面支护经验及矿压监测资料分析，将10-102工作面锚杆确定为2.1 m的高强锚杆。

3.2 锚固力及锚杆间的排距参数设计

锚固力及锚杆间排距参数的设计可以参照与采用的锚杆屈服载荷相匹配的原则，锚杆间排距根据锚固力不小于被悬吊岩层的重量的原则[6]计算：

式中：Q杆为锚固力，kN；K1为安全系数，取2.5；L杆2为锚杆的有效长度，据普氏理论及公式计算，10-202工作面锚杆的有效长度取1.0 m；α杆1为锚杆的间距，依据相邻巷道经验值取1.15 m；α杆2为锚杆的排距，取1.0 m；γ为岩石平均重度，取25 kN/m3。

图2 自然平衡拱理论力学模型

载荷匹配原则，Φ20 mm高强顶锚杆锚固力为80 kN；10-202工作面巷顶锚杆排间距为1 000 mm×1 150 mm时，经公示（3）计算得出锚杆承载力不能小于71.875 kN，同Φ20 mm高强顶锚杆承载力及锚固力是相匹配；在工作面顶锚杆间距相同的情况下，根据Φ20 mm高强顶锚杆固力计算，10-202工作面巷顶锚杆排距应小于1.52 m，出于安全考虑，将10-202巷顶锚杆排距定为1.0 m；同时结合现场矿压检测数据及相邻工作面支护经验，帮锚杆在间距一定的情况下排距将与顶锚杆对齐，可满足支护强度的要求[6]。

3.3 锚杆直径参数设计

结合锚杆承载力与锚固力等强的原则，计算如下：

式中：d杆为锚杆的直径，m；σs为锚杆屈服强度，MPa。

根据经验顶锚杆采用螺纹钢锚杆（HBR335）[6]，锚杆屈服强度取335 MPa，根据公式（4）及给定参数计算，d杆=20 mm。因此10-202工作面巷顶锚杆采用左旋螺纹钢高强锚杆（Φ20 mm×2 100 mm），可以满足工作面支护强度指标[6]。

3.4 锚索长度参数设计

锚索长度同样由锚索外漏长度（L索1）、锚索的有效长度（L索2）、深入稳定岩层锚固长度（L索3）三者的总长，如公式（5）：

式中：L索为锚索总长度，m；L索1为锚索巷道外露长度，取0.31 m；L索2为锚索的摩擦有效长度，m；L索3为锚索锚固长度，取最大值2.5 m；σt为锚索抗拉强度，取1 820 MPa；d为锚索直径，取18.9 mm；τc为黏结强度，取10 MPa。

经计算，顶锚索长度应不小于3.70 m，出于安全设计考虑，10-202巷锚索长度加长至5.3 m。

3.5 锚索间排距参数设计

式中：a索1、a索2为锚索间距和排距，均取2.0 m；N索为锚索自身的承载力，取400 kN；K2为锚索的安全系数，取2；h为锚杆所固定围岩厚度，取3.0 m。

根据公式（7）及给定参数，计算10-202工作面巷顶锚索间距为5.1 m，出于安全考虑，采用2.0 m的锚索间排距是可以满足支护强度设计要求的。

根据设计参数，10-202工作面巷道支护平面设计见图3，断面设计见图4。

4 结语

木瓜煤矿10-202工作面揭露煤层为9+10煤，煤组平均地层倾角在6°左右，煤组含炭质泥岩三层，结构复杂，但是工作面煤组厚度变化较小，为稳定煤层。根据自然平衡拱理论模型，结合工作面揭露的煤系地层地质力学情况，通过对锚杆支护参数进行计算，确定可以采用“锚网梁+锚索”联合法对10-202工作面进行支护[6]。经验算，设计采用的支护参数均能够保证工作面生产要求，能够保证巷道整体稳定性。依据支护设计，绘制了10-202工作面巷道支护平面图及断面图，以指导工作面支护作业。

图3 10-202工作面巷道支护平面图（单位：mm）

图4 10-202工作面巷道支护断面图（单位：mm）