车集煤矿深部开采巷道支护 论文.doc

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1、附录A高应力复合顶板巷道安全支护设计李化敏李红涛李振华（焦作工学院）摘要：首次提出了维持巷道稳定的“关键层”概念，即位于巷道顶板上方一定层位,巷道开挖后即使不支护情况下也能自稳的最下部的顶板岩层。分析了复合顶板巷道的破坏及不同条件下的复合顶板支护设计作用机理，针对车集煤矿具体条件，按照悬吊理论和纟H•合拱理论对锚杆支护参数进行了设计计算。关键词：锚杆支护，复合顶板，关键层永煤集团车集煤矿是国有大型煤矿，1999年底正式投产，矿井设计能力180刀t/a,服务年限82.5年，主采煤层二2煤，煤层平均厚度2.6m0煤层结构简单，顶板为0〜10m厚的炭质泥岩，局部可达20m厚的复合型顶板，煤线

2、发冇，厚度0.1-0.5m,该岩层松软易于破碎，厚度变化大，肓接顶为泥岩或砂质泥岩，肓接底板为泥岩。目前主要生产地区在-550水平以下，巷道埋深在600〜700mZ间，且每年以10m以上的速度向下延伸，巷道开掘深度逐渐增大，围岩应力增高，且冋采巷道围岩强度低于20Mpa,远大于深井极限深度，属深部开采，因此，巷道矿压显现剧烈、巷道围岩变形大、破坏时问效应明显。另外，由于车集矿特别复杂的矿井地质构造特点,矿井年冋采巷道掘进总量近22000m,工程暈浩大，冋采巷道支护与维护问题成了影响矿井生产、安全和经济效益的主要问题2—。锚（梁）网、索组合支护方法符合车集矿深部巷道实际。锚（梁）网、索组

3、合支护能起到加尚I制岩的作用，充分调动囤岩自身的承载能力，是一种主动支护，特别是加锚索后能有效的利用巷道围岩内部稳定岩层承载能力大的特点，是深部巷道具有发展潜力的支护方式工2"。然而，如何根据巷道高应力复合顶板的实际条件，采用正确的理论，指导巷道支护方式及参数设计，是确保巷道支护安全、经济的最重要的问题。1复合顶板巷道破坏及巷道支护机理分析车集煤矿二2煤层复合顶板属标准的层状岩体。当复合顶板厚度较薄时，巷道破坏一般从稳定的“巷道关键层”下位开始离层、破碎直至冒落，但由于关键层的作用，巷道上方冒落岩层不会形成完整的冒落拱。这里“巷道关键层”是指位于巷道顶板上方一定层位，巷道开挖后即使不支

4、护情况下也能自稳的最下部的顶板岩层。支护的作用是将下位岩层锚尚在关键层岩层上，防止关键层下位岩层的过大离层和破碎冒落，维持巷道稳定。当巷道上覆一定范围内的岩层有关键层时，巷道支护设计按悬巾理论计算。当在巷道顶板一定距离内无坚硬稳定岩层时，在薄层状岩层屮开挖的巷道，薄层状囤岩在顶板拉丿应力的作用下容易破碎冒落，乃至形成冒落拱。顶板锚杆的作用机理是将薄层状复合岩层组合成为能够承受一定荷载的组合梁，从而避免顶板岩层的滑动、离蜃及冒落，保证巷道顶板的稳定。巷道支护设计应按照组合梁理论进行。图1巷道锚杆支护机理模型2巷道支护参数设计锚杆支护参数设计主要是设计锚杆的长度及间排距。(1)锚杆长度锚杆

5、长度L：L二L1+L2+L3式中Li一锚杆外露长度,取0.15m；L2—锚杆有效长度；Ls一锚杆锚尚段长度，取0.7m«因此，锚杆长度的主要是确定锚杆有效长度L2：1)按悬吊理论设计锚杆支护参数当复合顶板厚度小于1.5m,即在巷道上方1.5m范围内有关键层存在，该条件下，关键层下位复合顶岩层可悬巾在稳定的关键层岩层上，支护设计按悬巾理论计算，且不需锚索补强X锚杆的有效长度5大于或等于关键层下位复合顶板厚度，锚杆的间排距则有:式中,Q—锚固力,按50KN计算;SL锚杆安全系数，取2。若按L2=l.5m计算,则：近J冷壬。.96何2)按组合梁理论设计锚杆支护参数当复合顶板厚度较厚，巷道关键

6、层超过锚杆支护控制的范围以外，锚杆支护时绘将多层复合顶板岩层组合成能够承受一定载荷的梁结构，此时巷道支护按组合梁理论计算。为了确保安全，应采用锚索加固。根据满足顶板最下一层岩石外表面抗拉强度条件确定组合梁悖度，即锚杆有效长度bo固定梁跨中点下表面上拉应力最大，其值为：设顶板岩石抗拉强度为O"则顶板稳定时应满足:考虑岩石的蠕变影响，引入蠕变安全系数仏，考虑顶板备岩层间摩擦作用对梁丿应力和弯曲的影响，引入惯性矩折减系数氐。则锚杆有效长度的表达式为:L2=0.5K2B式屮，Ki—安全系数，一般取治=3〜5,取K】=4；K2—蠕变安全系数，取佥=4；Kl惯性矩折减系数，取K3=0.65oq—均

7、布载荷，按冒落拱高计算。冒落带高度h(FW3)：h=[a+Htan(45°-4)/2)]/f式中f——岩石普氏坚固性系数，f=1.43；3—巷道跨度Z半，a二2.6/2m；H—巷道掘进高度，H=2.5m；顶板岩体内摩擦角，4)=18%则：h=(1.3+2.5X1.48)/1.43=(1.3+1.27)/1.43二1.8(m)则：q=Yh=1.8Y=1.8X0.027=0.049MPa式屮，y—顶板岩层容重，0.027X10°N/m'。Blull