刘晓春

（晋能控股装备制造集团华越机械有限公司，山西 阳泉 045000）

引言

煤矿安全一直以来是社会关注的焦点，为保证巷道支护的安全，人们对顶板及围岩的支护设计进行了无数的探索与求证。锚杆支护在很大程度上节约了支护材料，降低了巷道建设成本，然而在矿井实际应用中，锚固支护的参数，很多矿井依赖经验确定数值，而缺乏科学、精确的计算与校核。鉴于此，笔者进行了系统的分析和归纳。针对某矿1503 皮带顺槽巷道的断面尺寸、煤层顶底板岩层分布情况，对其进行锚固支护设计与校核全过程。

1 煤层概况

该煤层处于太原组下方位置，层厚约为0.60 m，平均倾角为5°，上距12 号煤层15.35～43.50 m，平均33.14 m。煤层含有一层夹矸，煤层呈块状结构，节理较发育，全区赋存局部可采，发热量（Qgr.d）13.60～28.71 MJ/kg，平均22.93 MJ/kg。顶板为黑色、块状含有植物化石的砂质泥岩；K2 为灰黑色块状的石灰岩，质地坚硬，脆性强；煤层，黑色块状，层理发育；其直接顶板为厚度4.89 m 黑色的砂质泥岩，细粒块状结构，质硬，性脆：中间为煤层，黑色块状，层理发育，含矸厚度0.33 m；直接底为灰色且质地柔软的块状泥岩，内部有植物化石；老底为灰色且易风化的块状砂岩粉砂岩。具体情况详见表1。

表1 煤（岩）层顶底板情况

2 巷道顶板压力、侧帮压力计算

1503 皮顺巷道设计掘进断面为宽×高=5.1 m×3.05 m，为矩形断面。1503 皮顺顶板泥岩厚度9.53 m。底板直接底为6.14 m 的灰黑色泥岩，泥质结构，质软易破碎；老底为16.26 m 灰色块状的砂岩粉砂岩，粉砂质结构，易风化。考虑节理裂隙影响，15 号煤层的普氏系数fm取1，岩层的平均加权普氏系数fb取1.5，岩层的似内摩擦角θb=arctan（fb）=56.3°。巷道最大片帮深度按式（1）计算：

式中：c 为巷道最大片帮深度，m；h 为巷道高度，取3.05 m。

将相关数据代入式（1）计算得：c≈0.92 m。

顶板岩层的稳定性差，在洞顶岩石的压力作用下出现塌落，而两侧围岩依然保持平衡，形成自然平衡拱，其高度按式（2）计算：

式中：hg为自然平衡拱高，m；a′为巷道掘进宽度之半，取2.55 m；fd为顶板普氏系数。

考虑顶板节理裂隙影响系数，取顶板加权普氏系数fd=2 计算得，hg=1.735 m。

巷道顶压按式（3）计算：

式中：Qd为巷道顶板的压力，kN/m；γd为顶板岩石容重，Ⅱ级岩石容重为25～26 kN/m3，此处取26 kN/m3。

将相关数据代入式（3）计算得：Qd=417.4 kN/m。

巷道侧压按式（4）计算：

式中：Qc为巷道侧压，kN/m；γb为巷帮的岩石容重，取26 kN/m3。

将相关数据代入式（4）计算得：Qc=23.27 kN/m。

根据以上计算分析，顶板浅部岩层受层理裂隙影响，易导致裂隙扩张或剪切滑移、断裂等不利现象。两侧帮的岩石特性处在裂隙体和破碎体之间，容易造成片帮现象。片帮发生，会极大地影响侧帮对顶板的支撑，从而使得巷道宽度增加、顶部变形增加，最后造成“顶板变形增加—片帮现象加剧—顶板变形”的恶性循环局面。

3 1503 皮顺巷道宜采用的锚杆支护原理

3.1 顶板锚杆支护原则

鉴于顶板岩性特征为层状和块状，极不连续，该巷道的顶部锚杆支护参照挤压加固理论、组合梁理论和悬吊理论，三者相互结合确定锚固方式。首先通过锚杆排列布置使得顶板形成锚固梁、组合梁，并通过锚杆将顶部拱形载荷体悬吊于深层岩体结构中[1]。

3.1.1 顶锚杆排间距确定

根据顶部锚杆悬吊的载荷大小初步确定锚杆间距a 与排距b，取a=b。锚杆悬吊岩石载荷G=a2hgγb=a2×1.735÷26=45.11a2。根据理论力学分析，处于静止状态时，锚杆悬吊岩体载荷等于其锚固力Q。

这里考虑其安全系数为K，那么存在以下关系：

锚杆采用钢材型号Q335，即材质屈服强度335 MPa；顶部和侧帮均采用Φ18 mm 高强度螺纹钢锚杆，锚固力≥97 kN，预紧力矩≥200 N·m。

现取Q=97 kN，K=2，计算得a2=1.08 m2。

由此可见，每根锚杆控制的顶板面积不应大于1.08 m2。

综上，若要保证1503 皮顺巷顶板锚固安全系数大于2，顶锚杆间、排距须不大于1 m，故选排、间距均为1 m。

3.1.2 顶锚杆长度确定

锚杆长度按如下方法确定：

式中：l 为锚杆长度，m；l1为锚固长度，≥0.3 m；l2为锚杆有效长度，m；l3为锚杆外伸出长度，取0.1 m。

1503 皮顺巷道的锚杆有效长度按自然平衡拱高度1.735 m 确定，则l≥2.135 m。

根据挤压加固理论、组合梁理论相结合的方式进行，即通过锚杆支护使顶板形成锚固梁、组合梁。为使围岩中形成稳定有效的挤压拱，需发挥锚杆的加固和组合作用。通过锚固使顶板形成整体柔性支护，很大程度上阻止岩体的初步变形与破坏，有力地提高围岩的完整性和稳定性，若锚杆长度过小或锚杆间排距过大，则组合梁（拱）效果不明显，则1503 皮顺巷顶锚杆长度取2.2 m 较为适宜[2]。

3.2 顶板锚索支护原则

3.2.1 锚索排距确定

考虑锚索补强，根据每根锚索悬吊载荷大小确定锚索间距a 与排距b，每排布置一根锚索，考虑到两帮角锚杆的悬吊作用，锚杆的锚固力取97 kN，则锚索悬吊岩石载荷G=Qdb=（417-200）b 等于锚索的锚固力Q[3]。考虑其安全系数K，存在以下关系：

1503 皮顺巷施工锚索采用Φ17.8 mm，其锚固力≥300 kN。故锚索锚固力取Q=300 kN，安全系数取K=2，计算得b=0.69 m。

即巷道顶板锚索安全系数为2，每排布置1 根锚索，排距为0.69 m。如果每排布置1.5 根锚索，排距1.5b≈1 m，呈三花布置，如图1 所示。

图1 1503 皮带顺槽巷道顶板锚杆、锚索仰视图（单位：mm）

3.2.2 锚索长度确定

锚索必须将挤压拱有效地锚固到深处稳定岩层上，这样才能起到安全支护的作用。其潜在冒落高约为巷道宽度的1 倍，则1503 皮顺巷潜在的冒落高为5.1 m，锚固端长度取1.5 m，则有效长度不宜小于6.6 m。锚索的外露长度约为0.25 m，则1503 皮顺巷顶锚索长度应大于6.85 m，取6.9 m[4]。

3.3 侧帮锚杆支护原则

3.3.1 帮锚杆排距的计算

根据巷道的岩性特征，侧帮也用锚杆锚固方式比较合适。

锚杆间排距及数量根据每根帮锚杆抵抗的侧压载荷大小确定锚杆间距a 与排距b，取a=b，即侧压载荷G=a2Qc/3.0=a2×23.27÷3.0=7.76a2等于锚杆的锚固力Q。考虑其安全系数K，存在以下关系式：

Q 取50 kN，K 取2，计算得：a2=3.22 m2。

由此可见：a 和b 均小于1.8 m，才能确保安全系数大于2。

3.3.2 帮锚杆长度的计算

l1≥0.3 m，l3取100 mm，锚杆有效长度按最大片帮深度c=0.92 m，将相关数据代入式（6）计算可得，帮锚杆长度l≥1.42 m。

3.3.3 帮锚杆参数确定

若帮锚杆长度过小或锚杆间排距过大，则组合梁（拱）效果不明显。

考虑到巷帮煤岩较破碎，巷帮锚杆长度取1.8 m，间、排距不宜大于1 m，取1 m。安全系数大于2，如图2 所示。

图2 1503 皮带顺槽巷道锚杆、锚索断面视图（单位：mm）

4 结语

巷道锚杆支护在煤矿安全生产中起着举足轻重的作用，本文通过系统的设计与数值校核，根据挤压加固理论、组合梁理论和悬吊理论相结合的方式确定了某矿1503 皮带顺槽巷道顶板锚杆排间距1 m、长度2.2 m，锚索每排布置1 根，锚索长度6.9 m，呈三花布置。根据挤压加固理论、组合梁理论相结合的方式确定侧帮锚杆长度1.8 m，排距1 m。经过数值分析和确定，符合煤矿锚杆支护的实际，为类似条件煤矿巷道顶板侧帮锚杆固定参数的确定提供了参考依据。