煤礦大斷面巷道掘進支護技術(shù)的設計與應用

王志誠

（陜西陜煤曹家灘礦業(yè)公司， 陜西 榆林 718600）

1 掘進工作面地質(zhì)條件簡介

122110 工作面高+960～+995 m，覆蓋層厚度290～327 m，主輔運里程在1 554～3 189 m 范圍內(nèi)2-2 煤層分叉，分為2-2 上煤和2-2 煤，掘進期間不受影響。本工作面內(nèi)無巖漿巖及較大的褶皺構(gòu)造，但煤層沿走向或傾向方向有小型起伏，對巷道施工影響不大。122110 輔運順槽長度5 978 m，寬6.5 m、高4.55 m，巷道斷面29.58 m2，井下切眼位于馬大灘行政村五隊東北部。井下工作面西部是為整個礦井服務的四條大巷，東臨近井田邊界煤柱，南部為122112 工作面（設計），北部是122108 回采工作面。老頂巖性中粒砂巖、厚度1.4～18.6 m。直接頂巖性細粒砂巖、厚度10.2～28.2 m。直接巖性粉砂巖、厚度2.6～12.7 m。老底巖性細粒砂巖、厚度2.2～5.6 m。

2 支護設計

2.1 巷道支護形式確定

根據(jù)巷道圍巖性質(zhì)及曹家灘煤礦礦壓觀測資料分析，結(jié)合曹家灘煤礦12 盤區(qū)內(nèi)鉆孔的分析，122110輔運順槽適合錨桿支護。根據(jù)實際的支護經(jīng)驗，確定巷道支護形式為：110 輔運順槽頂板采用“鋼筋網(wǎng)＋左旋無縱筋螺紋鋼錨桿＋錨索”聯(lián)合支護[1-3]，回采側(cè)采用“塑料網(wǎng)+玻璃鋼錨桿”聯(lián)合支護[4-5]，煤柱側(cè)采用“鋼筋網(wǎng)+左旋螺紋鋼錨桿”聯(lián)合支護。

2.2 支護參數(shù)設計

1）煤柱幫支護：左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+鋼筋網(wǎng)。

錨桿規(guī)格Φ22×2.4 m 左旋無縱筋335 號螺紋鋼筋，桿尾螺紋為M22、長度150 mm，配高強度螺母。錨桿設計間排距為1 m×1 m，每排4 根錨桿，最上部錨桿帶15°仰角施工，最下部錨桿帶15°俯角施工，其余錨桿垂直巖面施工，錨桿孔深2 100 mm。錨固劑采用MSCK2380 型，錨桿扭矩不小于150 N·m、錨固力不小于100 kN。鋼筋網(wǎng)片為3.8 m×1.1 m 的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片搭接寬度100 mm。

2）回采幫支護：玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)。

錨桿規(guī)格Φ27 mm×2.4 m 高強度玻璃鋼錨桿，托盤直徑170 mm、厚度15 mm，錨桿扭矩不小于50 N·m、錨固力不小于85 kN。其余參數(shù)與煤柱幫支護錨桿相同。網(wǎng)片規(guī)格為3 600 mm×2 200 mm 的JDPP30×30MS塑料網(wǎng)，網(wǎng)片搭接寬度100mm，幫部塑料網(wǎng)內(nèi)不含鋼絲。

3）頂板支護：左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+鋼筋網(wǎng)。

頂板支護錨桿規(guī)格與煤柱幫支護錨桿規(guī)格相同，錨桿間排距為1.2 m×1.0 m，每排6 根錨桿，錨桿托盤采用圓型鋼托盤，規(guī)格Φ150 mm×6 mm。鋼筋網(wǎng)片為3.3 m×1.1 m 的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片搭接寬度100 mm。

錨索形式與規(guī)格：頂部用Φ17.8 mm×6.5 m 的鋼絞線，錨索孔深6 200 mm，網(wǎng)度為2.4 m×3.0 m，為滿足錨索錨固力＞200 kN、預緊力＞150 kN 的支護要求，需采用2 節(jié)MSCK2380 型樹脂藥卷固定安裝。

2.3 采用計算法校核支護參數(shù)

2.3.1 頂錨桿長度計算（懸吊理論）

式中：L 為錨桿長度，m；H 為冒落拱高度，m；K 為安全系數(shù)，1.5；L1為錨固段長度，取0.6 m；L2為錨桿外露長度，＜0.05 m。

式中：B 為巷道開掘?qū)挾龋竟ぷ髅嫦锏涝O計寬度為6.5 m；f 為懸吊巖層硬度系數(shù)，取2.85；則H=1.14。

計算得L≥2.36 m。故選用Φ22×2.4 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿滿足要求。

2.3.2 頂錨桿間、排距計算

式中：A 為懸吊面積，m2；Q 為設計錨固力，100 kN；H為冒落拱高度，取0.55 m；R 為懸吊層重力載荷，取25 kN/m3；K 為安全系數(shù)，取K＝2。

計算得A=3.63 m2，即每根錨桿最大支護面積為3.63 m2，錨桿設計間排1.2 m×1.0 m，每根錨桿實際最大支護面積為0.9 m2，滿足支護密度要求。

2.4 采用計算法校核幫部支護參數(shù)

2.4.1 幫錨桿長度計算（松動圈理論）

根據(jù)松動圈理論，錨桿長度應滿足：

式中：L1為錨桿外露長度，＜0.05 m；L2為取煤幫破碎深度，取1.050 7 m；L3為錨固段長度，0.6 m。則L≥0.05+1.050 7+0.6=1.700 7 m。

因此，選用Φ22×2.4 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿滿足要求。

2.4.2 錨桿直徑

按錨桿承載力與錨固力強度相等計算，即：

式中：D 為錨桿直徑，m；c 為取煤幫破碎深度，m；Q 為錨桿抗拔力，取100 kN（換算為15 MPa）；σ 為桿體材料的許用強度，取420MPa；代入?yún)?shù)計算得D＝0.015 6 m。

因此，幫錨桿直徑應不小于15.6 mm，實際選用錨桿直徑Φ22 mm，符合要求。

2.4.3 錨桿間、排距

錨桿間排距按下式計算：

式中：a 為錨桿間排距，m；Q 為錨桿抗拔力，100 kN；γ 為不穩(wěn)定煤幫重力載荷，取14 kN/m3；L2為錨桿有效長度，取0.826 m；K 安全系數(shù)，取1.1。

經(jīng)計算：a＜2 m。頂錨桿實際間距1.2 m×1.0 m，幫錨桿實際間距1.0 m×1.0 m，能夠滿足要求。

2.5 錨索間排距設計

2.5.1 計算每排需要的錨索根數(shù)

式中：PV為錨索懸吊的載荷；k 為安全系數(shù)，取2（一次采動巷道）；Rt為錨索的承載力，取35.8 t；a 為掘進巷道半寬，取3.25 m；b 為側(cè)壓力時為滑動楔形上頂之半寬（巷高3.8 m=a+1.02，取4.27 m）；c 為錨索排距，取3 m；γ 為懸吊巖體容重，取1.34 t/m3。

計算得施工Φ17.8 mm×6 500 mm 錨索根數(shù)n≥1.25，錨索實際間距×排距=2 400 mm×3 000 mm，能夠滿足要求。

2.5.2 礦用錨索設計承載力計算

式中：Nt為礦用錨索設計承載力，N；m 為錨索張拉應力系數(shù)，取0.6；n 為鋼絞線根數(shù)，取值7；Sn為單根鋼絞線截面積，取46.08 mm2；Rm為鋼絞線抗拉強度，取1 860 MPa。

計算得Nt=360 kN，滿足要求。

2.5.3 礦用錨索設計初張力及破斷力

使用MQ18-250/53 型礦用錨索張拉機具預緊錨索，初張力按公式計算：

式中：P 為礦用錨索設計初張力，MPa；Nt為錨索設計承載力，取值200 kN；S 為錨索張拉機具油缸有效截面積，取值5 000 mm2。

計算得P=40 MPa，滿足要求。

2.6 校核結(jié)果

通過以上計算，所選支護參數(shù)能滿足122110 工作面輔運順槽掘進工作面支護要求。支護材料規(guī)格如表1 所示。

表1 支護材料規(guī)格一覽

3 支護施工工藝注意事項

3.1 掘錨機支護錨索

錨桿機鉆眼需注意根據(jù)巷道高度及錨索長度依次裝入合適長度的鉆桿，操縱鉆機旋轉(zhuǎn)閥及進給閥進行鉆眼。安裝錨索需注意將2 根MSCK3280 樹脂藥卷送至孔底并攪拌，攪拌時間8～12 s，等待時間控制在8～25 s。張拉錨索需注意待樹脂凝固后，人工上錨索托盤和錨索鎖具，一人將張拉泵頭與錨索外露端連接并扶住張拉泵頭，另一人張拉錨索，張拉完后松開張拉泵，并放回原處。

3.2 支護幫網(wǎng)及連網(wǎng)

將幫網(wǎng)與頂網(wǎng)先用連網(wǎng)絲固定，支護施工時利用鉆臂同時支護幫錨桿，將網(wǎng)片搭接處壓實。錨桿支護完成后，連接網(wǎng)片到最前面一片網(wǎng)的中間位置。

4 最小、最大空頂、空幫距離確定

頂錨桿距工作面最小空頂距為1.8 m（此距離為截割頭完全縮回后，鉆架到截割頭前端的最大距離），最大空頂距為2.8 m。頂網(wǎng)前端距工作面最小距離為0.8 m，最大距離為1.8 m。頂錨索距工作面最小空頂距為21.8 m，最大空頂距為22.8 m。兩側(cè)幫錨上部錨桿支護距迎頭最小為5.8 m，最大為6.8 m（掘錨一體機頂錨桿機與幫錨桿機間距為4 個排距），兩側(cè)幫錨下部錨桿永久支護滯后上部幫錨6 m。

5 結(jié)論

曹家灘煤礦設計并應用巷道快速掘進支護技術(shù)，通過技術(shù)數(shù)據(jù)驗算表明，選用的支護參數(shù)能夠滿足巷道支護要求，為巷道快速掘進技術(shù)實現(xiàn)單月進尺2 020 m 打下了基礎，保障了巷道安全順利施工，技術(shù)參數(shù)的驗算為同類巷道的支護參數(shù)的選擇提供設計依據(jù)。