煤巷锚杆支护参数设计与应用

1 前 言

巷道支护技术是矿山建设与煤炭开采中的一项关键技术，安全、合理、有效的巷道支护是保证矿井高产GX的必要条件。锚杆支护方式具有支护效果好、效率高、成本低等诸多特点，它的广泛应用给煤矿企业带来巨大的技术经济效益，锚杆支护己经成为巷道支护的一个主要发展方向。

煤巷围岩比较松软，在采动影响下巷道围岩变形十分剧烈。在使用金属支架时，顶板、两帮相对位移量较大。煤巷锚杆支护不同于一般岩巷的锚、网、喷支护。它的主要形式是单体锚杆、锚杆加W型钢带（或钢筋梁）或加网，简称锚梁、锚网或锚梁网支护。本文结合乌兰矿工程地质条件，对乌兰矿52下49机巷进行锚杆支护设计。

2 工程地质条件

52下49工作面所采煤层为乌兰井田2＃下煤层，该煤层厚度为5.16m，Z小厚度2.60m，平均煤层厚度3.94m。煤层宏观煤（岩）类型为半光亮型，一般2层夹矸，煤层结构复杂。煤层直接顶为1.4～4.27m粉砂岩，直接底0.4～4.8m 细砂岩。巷道断面为梯形断面，巷道宽B=4.2m，半跨a=2.1m，巷道顶部ZY高度h=3.05m，两帮分别是h1=3.94m、h2=2.16m。

该巷道没有进行地应力测试工作，无法给出地应力大小和方向的具体值。设计过程中按垂直应力和水平应力等值计算。岩体的垂直应力为：

σz=10-5Σγi Hi   （1）

式中：γi－为岩体容重，kN/m3；

Hi－为上覆岩体厚度，m。

根据地应力计算表（见表1），巷道垂直应力计算值为6.369MPa。

表1  地应力计算表

岩石名称
 平均厚度/m
 容重/kN·m-3
 累计地应力/kPa
 
冲积层
 7.50
 20.00
 150.000
 
粗砂岩
 100.00
 23.00
 2450.000
 
砂质页岩
 100.00
 25.00
 4950.000
 
粗砂岩
 41.80
 23.00
 5911.400
 
2#煤层
 4.58
 18.00
 5993.840
 
粗砂岩
 13.30
 23.00
 6299.740
 
细砂岩
 2.80
 25.00
 6369.740
 

3 支护参数计算

主要依据非弹性区理论和组合拱理论进行设计计算，理论计算参数均按经验取值。

设计原始参数：煤层普氏系数f值为1.5，煤层容重γ=18kN/m3，煤层粘聚力c=1.5MPa，内摩擦角φ=25°；煤层周围岩体容重γ′=23 kN/m3，粘聚力c′=2 MPa；内摩擦角φ′=35°

顶板支护分析：按非弹性区理论计算顶板稳定层位置。非弹性区等效圆半径为：

（2）

（3）

下面计算中取r=r1。

3.1 支护范围的确定

不支护时煤巷内部非弹性区半径R0为：

（4）

其中：P为累计地应力，6.369MPa。

则两帮非弹性区深度：

a1=R0-a=1.14m （5）

顶部非弹性区深度：

a2=R0-h/2=1.72m （6）

冒落拱高度：

（7）

冒落拱内锚杆承受煤体的重量（考虑动压影响系数）:

G1=K1·γ·S·D=269.14kN  （8）

式中：K1—动压影响系数；

γ—为顶部岩煤体容重；

S—为冒落拱包络线内煤体截面积；

D—为锚杆排距。

3.2 顶板锚杆参数设计

由于顶部锚杆单根的设计荷载值为50kN，则每排锚杆的根数为：

n1=G1/50=5.38 （9）

因此选取锚杆根数为6根，并由锚杆承载力可选择直径18mm的左旋螺纹钢锚杆。

锚固长度：

 （10）

式中：d—钻孔直径；

τ—为岩体与锚固剂的抗剪强度，取σc/12，m取值1.2～1.5。

根据顶部挤压加固理论，锚杆长度

L顶= a1+L1+L0=2.20m （11）

其中：L0—锚杆外露长度。

因此顶板选取直径18mm、长2200mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为850×800（mm），锚固长度700mm。

3.3 帮锚杆参数设计

由两帮非弹性区深度a1=1.14m，根据顶锚杆锚固长度计算，帮锚杆长为：

L帮= a1+L1+L0=1.62m （12）

帮选取直径16mm、长1800mm型左旋螺纹钢锚杆，间排距850×800（mm），锚固长度700mm。

3.4 锚索参数设计

锚索的计算主要是根据顶部悬吊作用，顶锚杆长度2.2m，则锚索所承受的上部岩体重量为：

G2=γ′·S·D=592（13）

直径15.24mm的钢铰线，其破断力为350kN，则每排选用2根，其锚固长度由（10）得：

Lc=1.25m（14）

取锚固长度为1400mm，锚索长度由下式计算：

L索= La+Lb+Lc=4500m       （15）

式中：La—为锚索外露长度，取300mm；根据地质条件，直接顶厚度Lb为2800m，故锚索的自由段长度Lb为2800mm。

因此，锚索长度取4.5m，排距为3.2m，锚固长度为1400mm，每隔三排锚杆安设2根锚索。

网  址：http://www.sdxml123.com/
地  址：山东省新泰市羊流工业园区