王志睿

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

引言

煤礦掘進(jìn)巷道工作面在掘進(jìn)期間具有運(yùn)煤、運(yùn)料、通風(fēng)、排水及行人等用途，而掘進(jìn)巷道支護(hù)不合理會(huì)造成頂幫、護(hù)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(jìn)巷道工作面的安全穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)期間各項(xiàng)工作的有序進(jìn)行，有必要對(duì)掘進(jìn)巷道工作面的支護(hù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[1-3]。因此，以51000B 回風(fēng)順槽工作面為例，提出工作面支護(hù)設(shè)計(jì)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(hào)煤層510采區(qū)右翼，北為采空區(qū)，南為后石湖村莊保護(hù)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(yùn)輸、回風(fēng)順槽工作面分析，預(yù)測(cè)本掘進(jìn)巷道在掘進(jìn)過程不會(huì)遇到斷層。在巷道中部會(huì)遇到向斜構(gòu)造，在掘進(jìn)中會(huì)遇到小的裂隙，但對(duì)掘進(jìn)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(hào)煤層，無采空區(qū)，5 號(hào)煤層頂板上覆為砂巖含水層，因此在施工時(shí)注意觀察頂板淋頭水，若發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)向有關(guān)部門匯報(bào)，掘進(jìn)時(shí)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(hù)設(shè)計(jì)

2.1 工作面支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)采區(qū)其他工作面掘進(jìn)支護(hù)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(jìn)行聯(lián)合支護(hù)[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(hù)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(jìn)行支護(hù)，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(shí)，視具體情況適當(dāng)縮小錨桿間排距或者采用架棚支護(hù)，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(shí)，必須使用機(jī)載臨時(shí)前探支護(hù)，且每條巷道必須備用10 架鋼性支架，以備特殊支護(hù)使用。

2.2 工作面錨桿支護(hù)計(jì)算方法

2.2.1 頂錨桿支護(hù)計(jì)算方法

頂錨桿支護(hù)的計(jì)算按單體懸吊理論進(jìn)行驗(yàn)算，通過以下計(jì)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(jì)算

根據(jù)采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)（2003）表6-1-88，錨桿支護(hù)按單體錨桿懸吊作用計(jì)算，頂錨桿長度L 可用下式（1）計(jì)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(shí)，L2不小于偽頂厚度；有范圍易調(diào)查確定的易碎直接頂時(shí)，L2不小于易碎直接頂厚度；L2取不同巖體經(jīng)驗(yàn)載荷高度；L2取普氏免壓拱高（b 或b1）。當(dāng)f≥3 時(shí)，。式中：B 為巷道掘進(jìn)跨度，m；f 為巷道頂板的普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

通過式（1）計(jì)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(jì)算

錨桿桿體承載力P 的計(jì)算公式為：

由P=Q，得：

式中：σt為桿體抗拉強(qiáng)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(jì)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(jì)算

對(duì)頂錨桿錨固長度進(jìn)行計(jì)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(hù)幫錨桿支護(hù)計(jì)算方法

護(hù)幫錨桿的選擇，應(yīng)參照該工作面設(shè)計(jì)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(jì)，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(hù)計(jì)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(hù)計(jì)算方法

工作面錨索支護(hù)計(jì)算按單體錨索懸吊作用計(jì)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(hù)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(jì)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(jì)，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(hù)施工工藝

3.1 錨桿支護(hù)

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

進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，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(shí)，合理調(diào)整機(jī)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(shí)必須由兩名支護(hù)工操作扶鉆，并且先點(diǎn)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(hù)的頂板下進(jìn)行作業(yè)。

安裝錨桿時(shí)，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(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)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(jī)載前探到合理位置，打下一根錨桿。支護(hù)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(jìn)行。錨桿要由外向里逐根打設(shè)。

錨桿支護(hù)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(bǔ)打錨桿。

3.2 錨索支護(hù)

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(jī)，打錨索眼時(shí)由外向里逐個(gè)進(jìn)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(shí)必須由兩人扶好錨索鉆機(jī)，嚴(yán)防錨索鉆機(jī)跌倒。開鉆時(shí)先點(diǎn)開后打開，防止鉆機(jī)傷人。錨索孔鉆好以后，必須留5 min 的控水時(shí)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(jìn)行預(yù)緊力張拉，其預(yù)緊力達(dá)20 MPa 即可，要經(jīng)常對(duì)錨索支護(hù)情況進(jìn)行檢查、復(fù)緊，如果發(fā)現(xiàn)其失去支護(hù)效果，必須在其旁0.2 m 處進(jìn)行補(bǔ)打。

3.3 護(hù)幫

頂板錨桿支護(hù)完畢，由外向里護(hù)幫。在巷兩幫距頂板0.5 m 處，以排距1 m、間距1 m 打護(hù)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(shí)用托板將網(wǎng)壓緊，擰緊配套螺帽。

護(hù)幫作業(yè)開工前，必須站在安全的地點(diǎn)，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(hù)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(jìn)行。作業(yè)當(dāng)中不準(zhǔn)直接蹬皮帶、轉(zhuǎn)載機(jī)作業(yè)，確需在上部作業(yè)時(shí)，必須搭設(shè)可靠的工作平臺(tái)，并將皮帶、轉(zhuǎn)載機(jī)開關(guān)閉鎖，嚴(yán)禁在轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)組上作業(yè)。

控制錨桿支護(hù)到工作面距離，最小控頂距為1.0m，最大控頂距為1.8 m，護(hù)幫網(wǎng)到工作面的距離不超過4 m，片幫較嚴(yán)重時(shí)，護(hù)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(jìn)效率決定了巷道工作面的運(yùn)煤、運(yùn)料、通風(fēng)、排水及行人效率及安全，對(duì)提高煤礦生產(chǎn)安全水平和開采效率具有重要的價(jià)值。而實(shí)際煤礦掘進(jìn)過程中，必須要根據(jù)巷道的地質(zhì)條件及布置進(jìn)行科學(xué)合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，以保證掘進(jìn)期間的安全，提高掘進(jìn)期間的生產(chǎn)效率和安全。