51000B 回風(fēng)順槽工作面支護設(shè)計研究

王志睿

（晉能控股煤業(yè)集團陽方口礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036700）

引言

煤礦掘進巷道工作面在掘進期間具有運煤、運料、通風(fēng)、排水及行人等用途，而掘進巷道支護不合理會造成頂幫、護幫等位置出現(xiàn)冒頂、坍塌事故，給煤礦帶來巨大的損失。為了保證煤礦掘進巷道工作面的安全穩(wěn)定，實現(xiàn)掘進期間各項工作的有序進行，有必要對掘進巷道工作面的支護進行合理設(shè)計[1-3]。因此，以51000B 回風(fēng)順槽工作面為例，提出工作面支護設(shè)計及施工工藝方案。

1 51000B 回風(fēng)順槽工程概況

51000B 回風(fēng)順槽工作面布置在5 號煤層510采區(qū)右翼，北為采空區(qū)，南為后石湖村莊保護煤柱，西為采空區(qū)，東接510 采區(qū)三條下山。本工作面煤層走向295°～305°，傾向205°～215°，傾角4°～7°。據(jù)已揭露51000A 運輸、回風(fēng)順槽工作面分析，預(yù)測本掘進巷道在掘進過程不會遇到斷層。在巷道中部會遇到向斜構(gòu)造，在掘進中會遇到小的裂隙，但對掘進影響不大，無火成巖侵入，無巖床、陷落柱等。51000B 回風(fēng)順槽上覆為2 號煤層，無采空區(qū)，5 號煤層頂板上覆為砂巖含水層，因此在施工時注意觀察頂板淋頭水，若發(fā)現(xiàn)異常及時向有關(guān)部門匯報，掘進時安裝好排水管路、水泵，完善工作面排水設(shè)施。

2 工作面支護設(shè)計

2.1 工作面支護設(shè)計方案

根據(jù)采區(qū)其他工作面掘進支護情況，51000B 回順巷道選用矩形斷面，頂部采用錨桿、錨索、菱形網(wǎng)配合鋼筋梯進行聯(lián)合支護[4]。

頂部布置4 排錨桿，錨桿排、間距為1.0 m、1.0 m，錨索布置2 排，錨索排、間距為2 m、2 m。

51000B 回順護幫：巷道右?guī)瓦x用Φ18 mm×1 700 mm 的普通圓鋼錨桿，巷道左幫選用Φ20 mm×1 800 mm 的玻璃鋼錨桿，配合鋼筋梯進行支護，樹脂為1 支Z2360、1 支K2335，巷道兩幫錨桿排、間距均為1 m×1 m 的矩形布置。

遇頂板破碎及煤質(zhì)松軟冒落時，視具體情況適當(dāng)縮小錨桿間排距或者采用架棚支護，按1 m 棚距做鋼性支架，腿子上拉桿，梁上頂桿至少每架上2根，并用帶扣螺絲緊固，鋼性支架為梁×腿=4 m×2.8 m 的梯形支架。

巷道施工時，必須使用機載臨時前探支護，且每條巷道必須備用10 架鋼性支架，以備特殊支護使用。

2.2 工作面錨桿支護計算方法

2.2.1 頂錨桿支護計算方法

頂錨桿支護的計算按單體懸吊理論進行驗算，通過以下計算方法得出頂錨桿的長度、直徑、錨固形式等數(shù)據(jù)。

2.2.1.1 頂錨桿長度計算

根據(jù)采礦工程設(shè)計手冊（2003）表6-1-88，錨桿支護按單體錨桿懸吊作用計算，頂錨桿長度L 可用下式（1）計算：

式中：L 為錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度（取決于錨桿類型和構(gòu)造要求），最大取0.06 m；L2為潛在冒落拱高度，m；L3為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，根據(jù)煤層頂?shù)装迩闆r及巖性表，取1 m。

式（1）中L2取值如下：有界限分明易調(diào)查清楚的偽頂時，L2不小于偽頂厚度；有范圍易調(diào)查確定的易碎直接頂時，L2不小于易碎直接頂厚度；L2取不同巖體經(jīng)驗載荷高度；L2取普氏免壓拱高（b 或b1）。當(dāng)f≥3 時，。式中：B 為巷道掘進跨度，m；f 為巷道頂板的普氏巖石堅固性系數(shù)。

通過式（1）計算得，L＝L1+L2+L3=0.06+0.63+1≈1.69 m，故頂錨桿選取2 m 長的錨桿較為合理。

2.2.1.2 頂錨桿直徑計算

錨桿桿體承載力P 的計算公式為：

由P=Q，得：

式中：σt為桿體抗拉強度，Pa；Q 為錨桿錨固力，N；d為錨桿直徑，mm。

2.2.1.3 頂錨桿間、排距計算

按間、排距相等布置取值：

式中：a 為錨桿間距，m；Q 為錨桿錨固力，kN；k 為安全系數(shù)，取1.5～1.8；γ 為巖體容重，kN/m3；L2為錨桿有效長度，m。

2.2.1.4 頂錨桿錨固長度計算

對頂錨桿錨固長度進行計算：

式中：L 為樹脂藥卷長度，mm；L0為錨固長度，mm；R為鉆孔半徑，取14 mm；R1為樹脂藥卷半徑，取11.5 mm；R2為錨桿半徑，取10 mm。

將相應(yīng)數(shù)值代入式（5）得：L0=（900+350）×11.52/（142-102）=1 722 mm。

2.2.1.5 其他參數(shù)的確定

頂錨桿錨固形式為加長錨固，采用1 支快速K2335 和1 支半中速Z2360 藥卷配合使用；頂錨桿預(yù)緊力矩不小于200 N·m；頂錨桿錨固力不小于120 kN；頂托板選用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的預(yù)應(yīng)力鋼托板。

2.2.2 護幫錨桿支護計算方法

護幫錨桿的選擇，應(yīng)參照該工作面設(shè)計以及錨桿錨固力、預(yù)緊扭矩取值參數(shù)表的具體要求，選用合理的參數(shù)。

1）根據(jù)工作面設(shè)計，巷道右?guī)瓦x用Φ18 mm×1 700 mm 的圓鋼錨桿，左幫選用Φ20 mm×1 800 mm 的玻璃鋼錨桿，藥卷為1 支Z2360、1 支K2335，巷道兩幫錨間距均為1 000 mm×1 000 mm 的矩形布置。

2）幫錨桿錨固長度L0=（600+350）×11.52/（21.52-82）=329 mm。

3）幫鋼錨桿錨固力不小于100 kN，玻璃鋼錨固力不小于50 kN。

4）幫錨桿預(yù)緊力矩不小于120 N·m。

5）托板、螺母的選擇：右?guī)屯邪暹x用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 的預(yù)應(yīng)力鋼托板，螺母選擇配套螺母；左幫托板選用玻璃鋼錨桿配套托板和螺母。

2.2.3 菱形網(wǎng)支護計算方法

工作面頂、兩幫鋪設(shè)菱形網(wǎng)，規(guī)格為2 000 mm×3 000 mm。

2.3 工作面錨索支護計算方法

工作面錨索支護計算按單體錨索懸吊作用計算。

1）確定錨索長度：由于巷道為煤巷，屬Ⅳ類圍巖，存在錨索支護問題，只在頂部使用錨索。

式中：L 為錨索長度，m；L1為需要外露的張拉長度，取0.25 m；∑h 為需要錨固的不穩(wěn)定巖層厚度，1 m；L2為錨索錨入較穩(wěn)定巖層的錨固長度，4.7 m；L3為錨索托板厚度，0.01 m。

將相應(yīng)數(shù)值代入式（6）得：L=0.25+1+4.7+0.01＝5.96 m。

2）錨索選擇：錨索也采用加長錨固，須用3 卷藥卷，其中1 支為K2335，另2 支為Z2360，錨索頭部設(shè)有樹脂藥卷攪拌頭。

3）錨索錨固長度L0=（600+600+350）×11.52/（142-82）=1 553 mm。

4）錨索托板選用規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm 的鋼托板。

5）錨索錨固力不小于200 kN。

6）錨索間、排距的確定，單根錨索排距sa計算為：

式中：[sa]為單根錨索極限破斷力，取240 kN；k 為安全系數(shù)，取2；a 為巷道寬度，3.8 m；r 為上覆巖層平均容重，取1.38 kN/m3。

將相應(yīng)數(shù)值代入式（7）得sa=4.5 m＞2 m，以及結(jié)合工作面設(shè)計，故錨索取長為6 m、直徑為15.24 mm的鋼絞線，間、排距均取2 m，每排為2 根錨索，均符合要求。

3 工作面支護施工工藝

3.1 錨桿支護

每班巷道按0.6 m 截深割2 刀停止掘進，機組后退，將頂幫隱患處理后，搭好穩(wěn)固的工作平臺，先移前探支護，然后在前探支護的掩護下進行錨桿支護。

進行錨桿支護時，首先按排間距的要求在頂板上標(biāo)好眼位，然后打錨桿眼，打頂錨桿使用風(fēng)鉆，錨桿孔深1.95 m，角度大于75°。打錨桿眼時，合理調(diào)整機載前探，向后退至距應(yīng)打錨桿眼20 cm 的地方，將梁與頂板剎緊后，方可打眼。鉆眼時必須由兩名支護工操作扶鉆，并且先點開2～3 次，待鉆桿鉆穩(wěn)后，方可正式鉆眼。鉆桿必須垂直頂板，打眼工應(yīng)在有支護的頂板下進行作業(yè)。

安裝錨桿時，用六方連接套將錨桿和風(fēng)鉆連在一起，用桿體將錨固劑送至孔底進行攪拌，攪拌時間為20～25 s，等3～5 min 后，錨固劑凝固后方可退鉆上鋼托板，擰緊配套螺帽，然后再調(diào)整機載前探到合理位置，打下一根錨桿。支護工作面錨桿必須打一眼，安裝一根，不準(zhǔn)打眼或上錨桿集中進行。錨桿要由外向里逐根打設(shè)。

錨桿支護排、間距誤差不超過±100 mm，角度大于75°，錨桿外露10～50 mm，加鋼筋梯后，用螺帽緊固、緊貼頂板。定期抽查錨桿質(zhì)量，每300 根抽查1 組，每組3 根，每根錨固力不少于120 kN，幫錨錨固力不小于50 kN，如發(fā)現(xiàn)錨固力上不去，應(yīng)找到原因，再重新補打錨桿。

3.2 錨索支護

錨索鋼絞線長6 m，安裝鋼板后，外露150～250 mm，延伸5.8 m，錨索布置誤差≤100 mm，每根錨索的錨固端焊3 根0.5 cm 長單股鋼絞線。錨索孔的施工選用MYT-120C 液壓錨索機，打錨索眼時由外向里逐個進行，穩(wěn)鉆前必須先敲幫問頂，將頂幫隱患排除后，方可開鉆。打眼時必須由兩人扶好錨索鉆機，嚴防錨索鉆機跌倒。開鉆時先點開后打開，防止鉆機傷人。錨索孔鉆好以后，必須留5 min 的控水時間，然后再上錨索，每孔用樹脂3 卷，1 卷為快速的，2 卷為中速的，鋼絞線鉆到孔底后，再鉆45 s，方可把鋼絞線與孔壁固定，凝固40 min 后，上托板或鋼梁及鎖具，并進行預(yù)緊力張拉，其預(yù)緊力達20 MPa 即可，要經(jīng)常對錨索支護情況進行檢查、復(fù)緊，如果發(fā)現(xiàn)其失去支護效果，必須在其旁0.2 m 處進行補打。

3.3 護幫

頂板錨桿支護完畢，由外向里護幫。在巷兩幫距頂板0.5 m 處，以排距1 m、間距1 m 打護幫錨桿，錨桿材料工作面一側(cè)為玻璃鋼錨桿，煤柱一側(cè)為圓鋼錨桿，掛網(wǎng)后及時用托板將網(wǎng)壓緊，擰緊配套螺帽。

護幫作業(yè)開工前，必須站在安全的地點，用2 m以上的長柄工具將作業(yè)區(qū)段傘檐、片幫、活煤全部處理掉，經(jīng)檢查安全無誤后再開工作業(yè)，否則不準(zhǔn)開工。護幫錨桿必須從外向里、從上向下逐根逐排打設(shè)，上一排打完眼，安裝錨桿掛網(wǎng)壓好以后，再打下一排錨桿，必須打一眼上一根錨桿，不準(zhǔn)打眼上錨桿集中進行。作業(yè)當(dāng)中不準(zhǔn)直接蹬皮帶、轉(zhuǎn)載機作業(yè)，確需在上部作業(yè)時，必須搭設(shè)可靠的工作平臺，并將皮帶、轉(zhuǎn)載機開關(guān)閉鎖，嚴禁在轉(zhuǎn)載機運轉(zhuǎn)的機組上作業(yè)。

控制錨桿支護到工作面距離，最小控頂距為1.0m，最大控頂距為1.8 m，護幫網(wǎng)到工作面的距離不超過4 m，片幫較嚴重時，護幫網(wǎng)到工作面的距離割煤前小于1.2 m，割煤后小于1.8 m。

4 結(jié)語

煤礦掘進效率決定了巷道工作面的運煤、運料、通風(fēng)、排水及行人效率及安全，對提高煤礦生產(chǎn)安全水平和開采效率具有重要的價值。而實際煤礦掘進過程中，必須要根據(jù)巷道的地質(zhì)條件及布置進行科學(xué)合理的支護設(shè)計，以保證掘進期間的安全，提高掘進期間的生產(chǎn)效率和安全。