微子鎮(zhèn)煤礦15102 回風順槽支護分析

王煜

（晉能控股煤業(yè)集團三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

1 礦井概況

潞城區(qū)微子鎮(zhèn)晉能控股集團三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)公司15 號煤層一采區(qū)15102 回風順槽設計長度340 m，方位角1°46′41"。開口位置為15102 回風順槽，需從一采區(qū)膠帶大巷中8 點前91.3 m 處按方位46°3′35″施工15102 回風順槽膠帶聯(lián)巷31 m后，進入15102 回風順槽按方位1°46′41"掘進施工至切眼。根據(jù)地測防治水科提供的地質(zhì)說明書，頂板巖層分別為：直接頂：泥質(zhì)砂巖，局部為泥巖，巖層厚度為1.38～3.58 m，軟弱-堅硬巖石；老頂：粉砂巖，巖層厚度為4～7 m，質(zhì)純堅硬，極限抗壓強度54.4～86.0 MPa，屬堅硬巖石；直接底：黑色泥巖，巖層厚度為2.78～10.98 m，極限抗壓強度為21.2～40.0 MPa，為軟弱-半堅硬巖石;老底:奧灰?guī)r,巖層厚度為280.2 m，灰、深灰色石灰?guī)r，泥灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r和3～4 層石膏層，薄-厚層狀，均勻?qū)永?，波狀層理?5102 回風順槽沿煤層頂板掘進，矩形斷面，巷道設計掘進斷面寬4.5 m，巷道掘進高度4.2 m，掘進斷面18.9 m2；凈寬4.3 m，凈高4.1 m，凈斷面17.63 m2。遇煤層變薄時，巷高不低于3.5 m,采用錨網(wǎng)（索）+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護。

2 巷道布置及支護設計

根據(jù)設計方案，15102 回風順槽設計長度340 m，開口方位角：1°46′41"；沿煤層頂板掘進。開口位置：15102 回風順槽需從一采區(qū)膠帶大巷中8 點前91.3 m 處，按方位46°3′35″施工15102回風順槽膠帶聯(lián)巷31 m 后，進入15102 回風順槽掘進。開口前必須制定開口安全技術措施。

15102 回風順槽掘進斷面形式：矩形斷面，掘進斷面寬4.5 m，掘進斷面高4.2 m，掘進斷面18.9 m2；凈寬4.3 m，凈高4.1 m,凈斷面17.63 m2。煤層變薄時，巷高不低于3.5 m，采用錨網(wǎng)（索）+ 鋼筋梯子梁聯(lián)合支護。

根據(jù)《15102 回風順槽掘進地質(zhì)說明書》描述的地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍑鷰r分布情況及《山西晉能控股集團三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司礦井兼并重組整合項目初步設計二次變更（修改版）》設計，15102 回風順槽原則上采用沿煤層頂板掘進，巷高4.2 m，當遇煤層變薄時，巷高不低于3.5 m，滿足綜采工作面軌道運輸及一次采全高要求。

15101 回風順槽工程設計采用錨網(wǎng)（索）+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護頂板（錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、梯子梁），遇頂板破碎帶、斷裂構(gòu)造帶，頂?shù)装?、煤幫松軟等特殊情況時，必須根據(jù)現(xiàn)場實際進行補強支護。可通過減小錨桿錨索間排距、架設U 型棚等方式，采用多種形式聯(lián)合支護；在巷道頂板難以維護時，必須提前對有毒有害氣體進行觀測。巷道頂板采用注漿、鋪網(wǎng)、架棚等方式支護頂板。為確保安全施工，需要及時調(diào)整支護方案時，必須制定針對性安全技術措施；巷道掘進時嚴禁空頂作業(yè)，并做好超前支護。

3 支護參數(shù)確定

3.1 巷道錨桿支護參數(shù)計算

錨桿長度計算公式為[1-2]：

式中：l1為外露長度（應由“錨桿在螺母外的外露長度+螺母長度+托盤厚度”等相關內(nèi)容組成，一般取值不小于100 mm），取值0.1 m；l2為錨桿有效長度，m；l3為錨桿深入老頂長度，m。

1）錨桿有效長度計算。l2長度計算，根據(jù)《采礦工程設計手冊》，可以取工作面?zhèn)雾敽穸?、易碎直接頂厚度、普氏免壓拱高度和頂板巖體破碎帶高度中的最大值。有效長度取普氏免壓拱高度和頂板巖體破碎帶高度中的較大值。

普氏免壓拱高度計算。由于頂板為砂巖、局部為泥巖，f值為3，故免壓拱高度計算公式為：

式中：B為巷道掘?qū)?，?.5 m；f為頂板巖層硬度，砂質(zhì)泥巖取為3。將以上數(shù)據(jù)代入公式可得免壓拱高度b=4.5/（3×2）=0.75 m。

為了解決上述傳統(tǒng)圖像分割技術中出現(xiàn)的困難和問題，在最近幾年中，研究人員以形變模型的圖像為基礎對于分割算法進行了更為寬泛的研究和應用，并且取得了重大的進展。接下來對動態(tài)規(guī)則模型、活動詳情模型和水平集模型的超聲圖像分割辦法進行討論。

頂板破碎帶高度計算。頂板破碎帶高度計算公式為[3-4]：

式中：RP為巖體破碎帶半徑，m；h為非圓巷等效圓中心至頂板距離，2.1 m；R0為巷道等效圓半徑，巷道斷面為4.5 m×4.2 m，根據(jù)幾何關系取值3.07 m；γZ為巷道所處地應力水平，γ巖石容重 2.4 kN/m2，Z為巷道中心距地表深度平均230 m；φ為砂質(zhì)泥巖的內(nèi)摩擦角，經(jīng)查閱《采礦工程設計手冊》取值為70°；C為砂質(zhì)泥巖的內(nèi)聚力，取值2.5MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入公式計算可得RP= 3.16 m，則破碎帶高度為Rp-h=3.16-2.1=1.06 m。故l2的取值為1.06 m。

2）l3的長度計算。①根據(jù)經(jīng)驗取值大于0.3 m；②按照錨固粘結(jié)力與拉斷承載力關系計算：

式中：d為錨桿直徑，取值0.02 m；σt為錨桿抗拉強度，材質(zhì)為HRB335 鋼筋的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其值為455 MPa；τc為粘結(jié)強度，查閱《采礦工程設計手冊》取為5 MPa。將數(shù)據(jù)代入公式計算得l3=0.46 m。

根據(jù)以上計算，錨桿長度為l=l1+l2+l3=0.1+1.06 + 0.46 = 1.62 m。因此，錨桿長度取值應不小于1.62 m。

根據(jù)《采礦工程設計手冊》和《煤巷錨桿支護理論與成套技術》錨桿直徑計算公式：

式中：d為錨桿直徑，m；Q為錨桿錨固力，取現(xiàn)場拉拔力試驗數(shù)據(jù)的平均值或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，根據(jù)設計資料，錨桿設計錨固力取105 kN；σt為錨桿抗拉強度，取值為455 MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入公式得d=0.017 m。因此，錨桿直徑取值應不小于0.017 m。

按單體錨桿懸吊作用計算，每根錨桿的錨固力等于錨桿所控制的上覆巖層的重量，并令錨桿間距等于排距，可得錨桿間排距計算公式：

式中：Q為錨桿的錨固力，取值為0.105 MN；k為安全系數(shù)，取值為1.8；γ為懸吊的直接頂巖層體積力，取值為0.024 MN/m3；l2為上覆不穩(wěn)定巖層的厚度，根據(jù)前文計算取值1.06 m。

將以上數(shù)據(jù)代入公式得α=1.51 m。 故錨桿間排距取值應不大于1.51 m，間排距800 mm×1 000 mm 符合要求。

3.2 錨索支護參數(shù)計算

錨索的長度應滿足

式中：L為錨索的總長度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；K為安全系數(shù)，取2；d1為錨索直徑，取18.9 mm；fa為錨索抗拉強度，取1 860 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的粘結(jié)強度，10 N/mm2；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，根據(jù)直接頂厚度最大取值3.58 m；Lc為托盤及錨具的厚度，0.07 m；Ld為外露張拉長度，0.25 m。

結(jié)合以上計算，取錨索長度應不小于5.66 m。

按照懸吊理論校核錨索排距：

式中：L為錨索排距，m；B為巷道最大冒落寬度，取4.5 m；H為巷道最大冒落高度，取3.58 m，根據(jù)直接頂厚度最大取值3.58 m；γ為巖體容重，直接頂取24 kN/m3；L1為錨桿排距，取1 m；F1為錨桿錨固力，105 kN；F2為錨索極限承載力，取400 kN；θ為角錨桿與巷道頂板的夾角，75°；n為每排錨索的根數(shù)，取2 或3，本次取2 計算。

結(jié)合以上計算取錨索的間距和排距應小于4.35m,設計間排距2 000 mm×2 000 mm 符合要求。

表1 5102 回風順槽頂板支護參數(shù)，錨桿、錨索支護參數(shù)

金屬網(wǎng)：10 號鉛絲編制礦用金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔特征尺寸50 mm，網(wǎng)片寬度1 100 mm。頂部網(wǎng)片長5 300 mm，幫部網(wǎng)片長3 000 mm。鋼筋梯子梁：頂φ14 mm×4 300 mm；幫φ14 mm×3 200 mm。

圖1 機載臨時支護示意圖

3.3 臨時支護布置形式

15102 回風順槽臨時支護采用ZLQ-20 機載臨時支護裝置，同時工作面?zhèn)溆媒饘偾疤搅褐ёo用于因頂板破碎等原因造成機載前探梁無法有效接頂?shù)那闆r。15102 回風順槽臨時支護采用ZLQ-20 機載臨時支護裝置，且支護護板結(jié)構(gòu)采用折疊框架形式，在具體工作中可根據(jù)巷道具體形式自行調(diào)節(jié)各個角度的工作面積；伸縮臂采用吊車支臂設計理論，工作可靠的同時增加了其伸縮長度；軌道部分滾動摩擦式。臨時支護為掘進機機載形式，由護板部分、支臂部分、臺車部分、軌道部分、液壓部分組成。護板為可折疊，支臂可伸縮，臺車可在軌道上前后移動，所有動作均為液壓控制。

機載臨時支護時，綜掘機后退至距工作面迎頭約2 m 處，截割頭落地后（加護罩），閉鎖開關。此時工作人員操縱機載臨時支護液壓手柄，使臺車移動到最前端，支臂伸出，護板打開到最大，并由支臂升降油缸控制護板高度，對已截割區(qū)域頂部進行臨時支護，確定護板與巷頂接觸踏實后，工作人員就可以在下部安全地進行打錨桿，如圖2 所示。

圖2 打錨桿示意圖（圖中黑點為錨孔示意圖）

4 小 結(jié)

在巷道掘進過程中，巷道的支護對于巷道的穩(wěn)定性十分重要。通過結(jié)合微子鎮(zhèn)煤礦15102 回風順槽掘進的實際情況，確定了合理的錨桿支護、錨索支護以及臨時支護的形式?？梢詾轭愃茥l件下，掘進巷道的支護提供一定的參考。