西銘礦48703 工作面支護(hù)技術(shù)的研究

王樹(shù)峰

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

隨著地質(zhì)賦存條件簡(jiǎn)單的煤炭資源逐漸枯竭，轉(zhuǎn)向開(kāi)采地質(zhì)賦存條件較為復(fù)雜的煤層，由于受到礦山壓力和工作面推進(jìn)影響，工作面巷道圍巖完整性受到破壞，變形較為嚴(yán)重，需針對(duì)具體的工作面地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行巷道支護(hù)技術(shù)研究[1-2]。

現(xiàn)階段，許多研究學(xué)者針對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。張琪[3]分析得到巷道兩幫圍巖破壞不大及頂?shù)装逋暾?，?yōu)化了支護(hù)參數(shù)，減小了支護(hù)強(qiáng)度；王文才[4]采用FLAC3D 及正交試驗(yàn)法優(yōu)化了巷道支護(hù)參數(shù)，取得了良好的效果；張科[5]針對(duì)郭莊煤礦大斷面全煤巷道，分析了巷道圍巖破壞特征，優(yōu)化了錨桿及錨索間距。本文針對(duì)西銘礦48703 工作面頂?shù)装寰唧w地質(zhì)條件進(jìn)行支護(hù)技術(shù)研究。

1 工程概況

西銘礦48703 工作面井下位于北七采區(qū)右翼。北鄰隨老母斷層，間距5～15 m；南鄰北七右翼回風(fēng)巷；西鄰48705 工作面采空區(qū)，東鄰實(shí)煤區(qū)，工作面布置如圖1 所示。工作面上覆2 號(hào)煤、3 號(hào)煤均已回采，北部上覆2 號(hào)煤局部為巨成礦小窯所采，8 號(hào)煤與2 號(hào)煤層間距94 m 左右，與3 號(hào)煤層間距67 m左右。該面所掘8 號(hào)煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層上部夾石為1.50～3.40 m，平均2.45 m 的頁(yè)巖或砂質(zhì)頁(yè)巖。8 號(hào)煤上分層厚度0.50～0.70 m，平均0.63 m；下分層厚度2.90～3.20 m，平均3.10 m，厚度變化不大，屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。頂?shù)装鍘r層巖性如表1所示。

該工作面所采煤層經(jīng)鑒定屬于有煤塵爆炸性，爆炸性指數(shù)為17.81%，自燃傾向性為Ⅱ級(jí)，屬自燃煤層。根據(jù)相鄰的工作面瓦斯涌出量資料，預(yù)測(cè)48703 輔助回風(fēng)巷工作面掘進(jìn)期間瓦斯絕對(duì)涌出量為2 m3/min。

圖1 工作面布置圖

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 巷道布置

西銘礦48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)8 號(hào)煤層，地面標(biāo)高1 250～1 446 m，工作面標(biāo)高1 012～1 070 m。48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷，巷道布置在48703 工作面的東側(cè)與轉(zhuǎn)運(yùn)巷聯(lián)通后，按155°方位角掘進(jìn)1 352 m。48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷用于48703 工作面回采期間的輔助進(jìn)風(fēng)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 536 m，回風(fēng)巷301 m，回風(fēng)貫眼39 m。巷道沿8 號(hào)煤頂板掘進(jìn)。根據(jù)相鄰工作面巷道掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及本工作面巷道的使用功能，確定巷道采用矩形斷面，斷面尺寸為凈寬4.8 m，凈高3.8 m，凈斷面18.24 m2。

3 巷道永久支護(hù)的設(shè)計(jì)

由相似工作面地質(zhì)條件巷道所采取的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，西銘礦48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷采用錨桿+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。

3.1 頂錨桿參數(shù)的計(jì)算

3.1.1 頂錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算

式中：H為軟弱巖層厚度，取0.6 m；K為安全系數(shù)，取2；L1為錨桿外露長(zhǎng)度，取0.1 m；L2為錨桿錨入堅(jiān)固穩(wěn)定巖層的深度，取0.3 m；L為頂錨桿的長(zhǎng)度。

帶入計(jì)算公式可得L=1.6 m，根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，頂錨桿長(zhǎng)度取1.8 m。

3.1.2 頂錨桿直徑的計(jì)算

頂錨桿直徑確定可由下式計(jì)算得到：

式中：σt為桿體材料抗拉強(qiáng)度，取490 MPa；d為錨桿桿體直徑，mm；Q為錨固力，取105 kN。

帶入計(jì)算公式可得d=16.44 mm，根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，頂錨桿直徑取20 mm。

3.1.3 頂錨桿間排距的計(jì)算

式中：γ 為巖體的容重，取23.5 kN/m3；a為錨桿的間距。

帶入計(jì)算公式可得a=1.86 m，根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，頂錨桿間排距取1 500 mm×1 500 mm。

綜上，頂錨桿采用間排距為1 500 mm×1 500 mm，七花形布置，Φ20×1 800 螺紋鋼錨桿支護(hù)。

3.2 幫錨桿參數(shù)的計(jì)算

3.2.1 幫錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算

式中：φ 為兩幫似內(nèi)磨擦角，取65°；h為煤幫上排錨桿至底板高度，取3.3 m；L3為片幫最大深度。

帶入計(jì)算公式可得L3=1.63 mm，根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，頂錨桿長(zhǎng)度取1.8 m。

3.2.2 幫錨桿間排距的計(jì)算

式中：rc為8 號(hào)煤的容重，取1.42 t/m3；qc為兩幫側(cè)壓力；h0為錨桿錨入煤巷深度，取1.7 m；h'為掘進(jìn)巷道高度，取3.8 m。

帶入計(jì)算公式可得qc=0.95 t/m，根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，幫錨桿間排距取1 500 mm×1 400 mm，呈矩形布置，三排，上排距頂0.3 m，下排距底板0.7 m。設(shè)計(jì)錨固力為5 t/根，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支護(hù)密度采取4 t/根，單側(cè)煤幫實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度為10 t/m，可以保障支護(hù)要求。

3.3 錨索補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算

3.3.1 錨索長(zhǎng)度的計(jì)算

式中：L5為錨索外露長(zhǎng)度，取0.35 mm；L6為上托盤(pán)厚度，取0.2 m；L7為懸吊不穩(wěn)定巖層厚度，取2 m；L8為錨索錨固長(zhǎng)度，取2 m；L4為錨索的總長(zhǎng)度。

帶入計(jì)算公式可得L4=4.55 mm，根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，錨索長(zhǎng)度取5.4 m。

3.3.2 錨索間排距的計(jì)算

式中：F1為錨索設(shè)計(jì)錨固力，取70 kN；c為錨桿排距，取1.5 m；θ 為角錨桿與巷道的夾角，75°；B為巷道最大冒落寬度，取4.8 m；F2為單根錨索極限破斷力，取355 kN；H' 為巷道最大冒落高度，取2.4 m；n為錨桿排數(shù)，取2 排；b為錨索的排距。

代入可得b=3.93 m，根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，取錨索間排距2.0 m×2.4 m，兩排矩形布置，滿足支護(hù)要求。

4 巷道臨時(shí)支護(hù)的設(shè)計(jì)

4.1 臨時(shí)支護(hù)的目的

在掘進(jìn)巷道中，臨時(shí)支護(hù)能有效控制頂板，暫時(shí)維護(hù)圍巖穩(wěn)定和杜絕頂板事故的發(fā)生，保證掘進(jìn)工作面在巷道支護(hù)的過(guò)程中不在空頂下作業(yè)，保障作業(yè)人員施工的安全和作業(yè)地點(diǎn)的安全。

4.2 臨時(shí)支護(hù)的使用

臨時(shí)支護(hù)采用掘錨護(hù)一體機(jī)錨護(hù)部做臨時(shí)支護(hù)，具體參數(shù)如表2 所示，施工完成一個(gè)循環(huán)之后，將臨時(shí)支護(hù)升起，進(jìn)行錨桿+錨索永久支護(hù)，然后進(jìn)行下一循環(huán)（由于巷道斷面過(guò)寬，超出機(jī)載臨時(shí)支護(hù)有效支護(hù)寬度，所以打錨桿支護(hù)時(shí)要先在有臨時(shí)支護(hù)下進(jìn)行，結(jié)束一面后移動(dòng)掘進(jìn)機(jī)至另一面，將臨時(shí)支護(hù)升起接頂進(jìn)行錨桿支護(hù)）。工作面循環(huán)進(jìn)度為3 m，工作面最大控頂距為3.4 m，最小控頂距為0.4 m。

表2 錨護(hù)部參數(shù)

5 工業(yè)試驗(yàn)

48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷采用如上支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行支護(hù)工作，為研究以上方案參數(shù)的合理性及巷道圍巖的變形量，在巷道每隔30 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)站，分別記錄巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟俊?/p>

由下頁(yè)圖2 可知，在工作面回采期間，兩幫移近量穩(wěn)定在115 mm，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在55 mm，完全可以保證巷道的安全穩(wěn)定，保障工作面的正?；夭尚枨蟆?/p>

圖2 巷道變形量

6 結(jié)論

根據(jù)巷道布置以及煤層賦存情況，設(shè)計(jì)巷道均采用矩形斷面，斷面尺寸為4.8 m×3.8 m；根據(jù)相似巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)選用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，并理論計(jì)算了錨桿錨索參數(shù)，頂錨桿采用間排距為1 500 mm×1 500 mm、Φ20×1 800 螺紋鋼錨桿支護(hù)；幫錨桿采用間排距為1 500 mm×1 400 mm、Φ20 mm×1 800 螺紋鋼錨桿支護(hù)；錨索采用直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為5 400 mm 的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索間排距為2 000 mm×2 400 mm；最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際應(yīng)用變形量監(jiān)測(cè)，證明此支護(hù)方案可以保證48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷的安全穩(wěn)定。