周世强

（晋能控股煤业集团临汾宏大胜利煤业有限公司，山西 临汾 041099）

引言

煤矿生产包括巷道掘进、煤巷开采两个关键环节，各个环节均需对巷道进行全面、有效的支护，才能够在保证工作面设备及人员安全的基础上，提升工作面的掘进开采效率。掘进工作面和综采工作面支护参数需在结合现场地质条件和实施条件的基础上才能够综合确定[1]。本文将对回风顺槽掘进工作面的支护参数进行核验，并对其施工工艺进行设计。

1 1901回风顺槽工程概述

本文以同煤集团宏达胜利煤业有限公司的1901工作面的回风顺槽为例开展研究，1901回风顺槽沿9号—11号煤层底板掘进，开口点南145 m为回风立井，方向49°，巷道左邻为设计1903工作面，右为设计1907工作面。通过1901辅助运输巷和北胶带大巷相连。1901回风顺槽主要用于1901备采工作面的通风、行人、运料等。

1901回风顺槽位于9号—11号煤层。根据1901辅助运输巷掘进情况和剖面图、底板等高线图等资料分析，煤层构造较发育，断层、褶曲较多。煤层厚度2.06～4.5 m，煤层走向49°，倾向319°，倾角为1°～3°，9号—11号煤层视密度为1.41 kg/m3。矿井以0.6 Mt/a产量开采9号、10号、11号煤层时，最大绝对瓦斯涌出量3.33 m3/min，最大相对涌出量为2.64 m3/t。1901工作面顺槽的顶底板情况如表1所示。

总的来讲，1901工作面回风顺槽的顶底板条件相对简单，即其地质构造类型属于简单型。

2 1901回风顺槽支护参数设计

1901回风顺槽的断面形状为矩形，结合以往支护经验和施工效率，1901回风顺槽采用锚杆+锚索+网+W钢带对其进行联合支护[2]。

表1 1901工作面回风顺槽顶底板情况

2.1 锚杆支护参数的设计

结合“普氏自然平衡拱理论”对1901回风顺槽的锚杆支护参数进行计算，分别对锚杆长度、直径、间距和排间距等参数进行核算。

2.1.1 锚杆长度的计算

锚杆长度的计算公式如式（1）所示：

式中，L1为锚杆的外露长度，由于本支护方案选用铁托板进行支护，因此取锚杆的外露长度为100 mm；L2为锚杆的有效长度，该参数与回风顺槽顶板的岩层条件相关，由于1901回风顺槽的普氏硬度系数为2.0[3]，对应的锚杆有效长度的计算公式如式（2）所示：

式中：B为1901回风顺槽的巷道宽度，B=3 500 mm；H为1901回风顺槽的巷道掘进高度，H=2 800 mm；f顶为1901回风顺槽的巷道顶板岩层的普氏硬度系数，f顶=2.0；ω为1901回风顺槽巷道两帮围岩的似内摩擦角，ω=63.4°。将上述参数代入式（2）得出，锚杆的有效长度L2=1 206 mm。

L3为锚杆深入岩层或煤层的锚固长度，其计算公式如式（3）所示：

式中：d为锚杆的直径，暂取d=20 mm；σ2为锚杆材料的抗拉强度，选用螺纹钢金属锚杆对应σ2=510 MPa；τc为锚杆与锚固剂的黏结强度，τc=5 MPa。将上述参数代入式（3）得出，锚杆的锚固长度为510 mm。

综上所述，锚杆设计总长度L=100 mm+1 206 mm+510 mm=1 816 mm。结合当前锚杆各种规格参数，选用长度为2 200 mm的锚杆。

2.1.2 锚杆直径的计算

锚杆直径的确定与所选型锚杆本身的承载能力和抗拉强度相关，选取普通低碳钢锚杆为例计算其直径，计算公式如式（4）所示：

式中：Q为顶锚杆的抗拉拔力，Q=98 kN；σt为普通低碳锚杆的抗拉强度，σt=410 MPa。将上述参数代入式（4）中得出，当选用普通低碳锚杆时直径大于17.3 mm即可。根据标准锚杆直径的规格，确定锚杆直径为20 mm[4]。

2.1.3 锚杆间排距参数的计算

锚杆间距的计算公式如式（5）所示：

式中：d为锚杆直径，d=20 mm；σt为普通低碳锚杆的抗拉强度，σt=410 MPa；K为锚杆的安全系数，一般K=2.0；γ为1901回风顺槽巷道顶板岩层的容重，γ=25.6 kN/m3；L2为锚杆的实际有效长度，取L2=2 200 mm-510 mm-100 mm=1 590 mm。经计算可知，锚杆间距为1 270 mm。即，锚杆间距小于1 270 mm就能满足支护要求，为充分保证最终的支护效果，取锚杆间距a=800 mm。

一般的，锚杆排间距b与锚杆间距a相等。因此，取锚杆排间距b=800 mm。

综上所述，针对1901回风顺槽锚杆支护参数如下：锚杆直径为20 mm，锚杆长度为2 200 mm，锚杆间距和排间距均为800 mm。

2.2 锚索支护参数的设计

锚索支护是在锚杆支护的基础上进行强化支护，一般采用低松弛、高强度的钢绞线进行强化支护，根据常规支护经验，一般取锚索直径为17.8 mm的钢绞线。故，本节仅对锚索长度和间距、排间距进行计算即可。

2.2.1 锚索长度的计算

锚索长度由锚索外露长度、巷道顶板潜在的破坏范围以及锚索深入老顶的长度三部分组成。其中，一般取锚索的外露长度为0.3 m；取巷道顶板潜在破坏范围为3 m[5]。因此，此处仅对锚索深入老顶的长度进行计算，计算公式如式（6）所示：

式中，d为锚索的直径，取d=17.8 mm；σt为锚索钢绞线的抗拉强度，直径为17.8 mm锚索钢绞线对应的抗拉强度为1 806 MPa；τc为锚索与树脂的黏结强度，取τc=10 MPa。将上述参数代入式（6）可得：锚索深入老顶的长度为0.8 m。因此，锚索的总长度为0.3 m+3 m+0.8 m=4.1 m。

2.2.2 锚索间距的计算

为防止巷道顶板岩层发生大面积整体跨落，采用SKP17.8-7/1860型6 500 mm长的钢绞线将锚杆加固的“组合梁”整体悬吊于稳定岩层中校核锚索排间距，冒落方式按最严重的冒落高度大于锚杆长度的整体冒落考虑。此时，靠锚索发挥悬吊作用，在忽略岩体粘结力和内摩擦力的条件下，取垂直方向力的平衡，可用式（7）计算锚索排、间距。

式中：n为锚索的排数，取n=2；F2为锚索的极限承载力，F2=345 kN；B为1901回风顺槽巷道的宽度，取B=3 500 mm；H为1901回风顺槽的冒落高度，取H=4m；γ为1901回风顺槽巷道顶板岩层的容重，取γ=25.6 kN/m3；F1为锚杆的锚固力，F1=90 kN；θ为锚杆与巷道顶板的夹角，θ=75°；a为锚杆的间距或排间距，a=0.8 m。

将上述参数代入式（7）得出，锚索的间距或排间距应小于4.9 m。为进一步加强巷道顶板支护，确定1901回风顺槽锚索间排距为1 600 mm、锚索长度6 500 mm。1901回风顺槽支护断面示意图如图1所示。

3 结论

图1 1901回风顺槽支护断面示意图

掘进工作面和综采工作面的支护质量和支护效果直接决定后续的生产效率和生产能力以及设备及人员的安全。为此，实际生产中需根据工作面的实际地质条件对支护方式进行选取并对具体的支护参数进行计算。针对1901回风顺槽掘进工作面的生产需求和地质条件，选用锚杆+锚索联合支护方式保证工作面的安全高效生产。具体支护参数如下：

1）锚杆直径为20 mm，锚杆长度为2 200 mm，锚杆间距和排间距均为800 mm；

2）锚索钢绞绳直径为17.8 mm，锚索长度为6 500 mm，锚索间距和排间距为1 600 mm。