屯蘭礦18407 工作面巷道支護設(shè)計及安裝

張大輝

（山西焦煤集團西山煤電屯蘭煤礦， 山西 太原 030052）

1 礦井概括

18407 工作面位于屯蘭礦南翼下組煤右翼，東側(cè)為梁莊村保護煤柱，北西側(cè)為18405 工作面，南東側(cè)與原平河保護煤柱相鄰，北東側(cè)與南翼下組煤軌道巷相接，西側(cè)為南四盤區(qū)邊界。18407 工作面主要回采8 號煤層，工作面上部與頂板平均距離75 m的2 號煤層中有已完成回采的12405 和12407 工作面。

18407 工作面水平高度+750 m，走向1 932.5m，傾向199 m。所采8 號煤層厚度變化較大，最大厚度3.1 m，最小厚度為1.7 m，平均厚度為2.74 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部夾矸厚度約0.1～0.5 m。煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 工作面巷道布置設(shè)計

圖1 工作面巷道布置

如圖1 所示，18407 工作面布置從南翼下組煤盤區(qū)大巷至西翼下組煤大巷保護煤柱線，工作面設(shè)計可采長1 315 m，工作面設(shè)計寬204 m。巷道主要設(shè)計由皮帶順槽、軌道順槽、切眼、底抽巷組成，18407 皮順復(fù)用18405 軌順，18407 底抽巷在工作面外側(cè)沿9 號煤布置，與8 號煤層平均間距16 m。皮帶順槽主要功能是為通風(fēng)系統(tǒng)提供回風(fēng)通道，并由皮帶輸送機進行原煤運輸；軌道順槽主要負責(zé)進風(fēng)及其他設(shè)備等的物料運輸，底抽巷進行回風(fēng)，上述三條巷道相互平行，巷道方位角231°18′。軌道順槽位于下山側(cè)，皮帶順槽、底抽巷位于下山側(cè)，兩巷間距25 m，軌順、皮順間距204 m。18407 底抽巷復(fù)用18405 底抽巷，全長1 970 m，工作面通風(fēng)系統(tǒng)呈“Y”型。所有巷道的施工工程量如表2 所示。

表2 所有巷道施工工程量表

3 18407 工作面巷道支護設(shè)計

3.1 巷道斷面尺寸

1）皮帶順槽斷面：18407 皮帶順槽為18405 工作面軌道順槽沿空留巷，巷道凈寬為4.2 m，凈高為3 m。考慮巷道內(nèi)轉(zhuǎn)載機安裝、人員行走、支護空間要求等，所需巷道寬度計算為4.1 m，因此沿空留巷寬度滿足要求。另外，巷道內(nèi)系列車和移動變電站等的最大高度為2.84 m，因此當(dāng)前巷道的高度也滿足要求。需注意，如果18405 回采巷道變形后將原巷道拉底至原斷面。

2）軌道順槽斷面：軌道順槽寬度需考慮人員行走、充填泵列車寬度、系列車寬度、支護空間等因素，綜合計算可知所需最小寬度為4.8 m，最終取巷道凈寬5.0 m。軌道順槽高度需考慮平板車運輸液壓支架時的最低高度要求，計算可知為2.74 m，另考慮頂板下沉等因素，最終取巷道凈高為3.0 m。

3）切眼斷面：切眼斷面尺寸主要與液壓支架的運輸和安裝尺寸有關(guān)，支架安裝的對角線寬度約為5.8 m，另考慮安全間隙等，最終取斷面寬度為6.5 m。斷面高度主要考慮支架運輸，因此與軌道順槽高度相同，為3.0 m。

4）底抽巷斷面：底抽巷寬度尺寸主要考慮鉆機的工作長度及支護空間等，計算為4.1 m，實際取值4.2 m。巷道高度與錨桿機的最低高度相關(guān)，取值2.6 m。

3.2 巷道支護參數(shù)計算

根據(jù)工作面當(dāng)前地質(zhì)狀況及相鄰工作面支護經(jīng)驗，18407 巷道支護采用錨桿錨索聯(lián)合支護方案。

3.2.1 錨桿長度

錨桿的支護原理是通過插入不同深度的巖層，在錨桿和不同巖層之間形成錨固力，增強其整體性，減小巷道變形[1-2]。

3.2.1 .1 頂錨桿長度L 頂?shù)挠嬎?/p>

式中：f 為圍巖普氏系數(shù)；B 為巷道斷面寬度；L1為巖層外錨桿長度。

計算可知，頂錨桿所需長度L頂=1.81 m，根據(jù)相鄰工作面支護經(jīng)驗，最終選定18407 巷道頂錨桿長度為2.4 m。

3.2.1 .2 幫錨桿長度L 幫計算

式中：I'為無承載能力的煤巖厚度；Z 為幫錨桿插入可承載巖層的深度；L2為煤壁外的錨桿長度。

計算可知，幫錨桿所需長度L幫=1.65 m，根據(jù)實際支護要求，最終選定18407 巷道幫錨桿長度為1.8 m。

3.2.2 錨桿間距

研究表明，影響錨桿間排距D 選擇的因素包括巷道圍巖的破碎程度及圍巖普氏系數(shù)等，計算公式如下：

式中：K錨為錨固方式系數(shù)，對于全長錨固技術(shù)，取K錨=1.3；K護為護巖方式系數(shù)，當(dāng)有托梁等輔助支撐時，取K護=1.1；I 為圍巖完整性系數(shù)，根據(jù)前期探結(jié)果，可取I=0.7；圍巖普氏系數(shù)f，頂板圍巖取f=6，煤幫取f=2[3-4]。

計算可知，頂錨桿和幫錨桿的理論最大間、排距分別為1.23 m、1.05 m，結(jié)合已有經(jīng)驗，確定18407巷道頂錨桿和幫錨桿的間排距均為0.9 m。

3.2.3 錨索長度

從安全角度考慮，錨索參數(shù)選取應(yīng)按照當(dāng)頂板冒落時，全部巖石重量由錨索承擔(dān)來計算。為形成有效錨固作用，錨索應(yīng)穿過松散圍巖錨固在穩(wěn)定巖層中，因此錨索長度L索計算如下[5-6]：

式中：b 為頂板錨固層厚度；LC為錨索深入穩(wěn)定巖層的深度；L3為錨索的外部長度。

計算可知，錨索所需長度為5.25 m，由此取錨索長度為5.3 m。

3.2.4 錨索間距

根據(jù)8 號煤頂板冒落觀測，頂板最大冒落高度為h冒=3 m，則潛在頂板冒落破壞區(qū)的自重載荷為：

式中：S落為潛在冒落區(qū)域面積，S落=b巷h冒/2，b巷取值為 5 m，則 S落=7.5 m2；D索為錨索打設(shè)間距；γ為巖層容重，取γ=2.6 t/m3。

計算可知，Q=19.5D索。假設(shè)單根錨索的斷裂載荷為50 t，安全系數(shù)為1.1，則Q=50 t/1.1，由此計算可知錨索安全間距D索=2.33 m。另外考慮沖擊載荷等影響，最終選擇錨索間距為1.8 m。

頂板支護中采用錨桿、錨索一排混合支護，在實際錨索布置中，因錨索預(yù)緊力與錨固力均大于錨桿，據(jù)錨桿、錨索支護理論可按眼位將錨索布置在錨桿孔內(nèi)與錨桿對頂板形成整體支護。錨索（1.8 m）隔一排三根布置，可滿足支護要求。

3.3 特殊條件巷道支護

3.3.1 巷道開口位置

巷道開口位置頂板破碎面積較大，圍巖穩(wěn)定性差，因此應(yīng)進行特殊支護，具體要求如下：

1）巷道開口前要提前加固，開口前后5 m 范圍內(nèi)加強支護，頂錨桿、錨索排距縮小為800 mm，且所有失效錨桿應(yīng)全部補打，并補打開口錨索加強支護；

2）當(dāng)開口位置頂板破碎嚴重，一般加強支護不能滿足要求時，應(yīng)加套11 號工字鋼鐵棚，棚距1.0 m；

3）應(yīng)采用小循環(huán)作業(yè)，減小頂板壓力，循環(huán)進度為0.8 m。

3.3.2 交叉點巷道位置

與巷道開口位置相同，在工作面順槽的各交叉點，由于頂板狀態(tài)較差，因此應(yīng)在前后5 m 范圍內(nèi)將錨桿排距縮為800 mm，錨索按原支護排排打設(shè)。

3.3.3 遇地質(zhì)構(gòu)造時

1）當(dāng)掘進期間遇斷層時，首先探明斷層走向、傾向及傾角，確定巷道坡度。當(dāng)斷層落差小于2 m 時，若煤在下部，則排距縮小為0.9 m；若煤在上部，需托煤作業(yè)時，則排距縮小為0.8 m，采用錨索Φ21.6 mm×8 300 mm 錨桿三根兩根排排打設(shè)，視具體情況必要時加套工字鋼棚支護。通過斷層且頂板完好時，恢復(fù)原支護。當(dāng)斷層落差大于2 m 時，應(yīng)出具過斷層專項設(shè)計。

2）當(dāng)掘進期間遇陷落柱時，首先探明陷落柱的大小，將排距縮小為0.8 m，采用錨索Φ21.6 mm×8 300 mm 排排打設(shè)。陷落柱前后5 m，架設(shè)11 號工字鋼棚，棚距1 m，盤幫勾頂接頂嚴密，工字鋼棚緊跟工作面架設(shè)。

4 支護材料安裝

4.1 頂錨桿安裝

首先，為保證錨桿安裝位置符合設(shè)計參數(shù)要求，應(yīng)進行鉆點標(biāo)記；然后使用MQT-120 型錨桿機進行鉆孔，必須保持動作平穩(wěn)，以免擺動擴大孔徑。鉆孔成形后，將錨固藥劑和錨桿一起送到孔內(nèi)，錨桿伸出0.3 m，然后持續(xù)攪動錨桿，約20 s 上下，并保持一定時間的壓力，然后再去掉攪拌工具。180 s 后，對錨桿螺母進行拉伸預(yù)緊，保證扭矩大于200 N·m，且擰緊力大于105 kN。

4.2 幫錨桿安裝

采用ZMS—35 型風(fēng)煤鉆或者7655 鑿巖機配合，打好眼后，用ZMS—35 型風(fēng)煤鉆攪注。左旋螺紋鋼錨桿使用連接頭配合桿體進行安裝，托盤要與巖面密貼，不得點接觸或線接觸。使用專用工具對端部的螺母進行預(yù)緊，檢查保證扭矩等于200 N·m，且擰緊力大于105 kN。

4.3 錨索安裝

利用MQT-120 型鉆孔機配合Φ32 mm 鉆頭鉆孔，孔成形后將藥劑推至孔深部，插入錨索，并與安裝工具連接。安裝錨索10 min 后，開始上托盤和鎖具，應(yīng)檢查保證擰緊力大于200 kN。然后用拉伸機進行加載，需使拉伸壓力值大于30 MPa。錨索外端安裝防護套，防止造成人員意外損傷。

4.4 網(wǎng)片鋪設(shè)

第一步是聯(lián)網(wǎng)，該工序完成后檢查支護裝置各部位零件及管路是否完好。然后將聯(lián)好的金屬網(wǎng)放在頂架上，開始鋪網(wǎng)，應(yīng)使金屬網(wǎng)緊貼圍巖。