48712 工作面巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 威

（西山煤電集團(tuán)股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

1 瓦斯治理巷工程概況

瓦斯治理巷位于北七采區(qū)右翼,西鄰48710 采空區(qū)，東鄰48712 回風(fēng)順槽。南鄰北七右翼集中巷；北鄰隨老母斷層。瓦斯治理巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為710 m。

1）井上位置工作面地表位于馬矢山村東側(cè)、東南方是大腦上村，位于隨老母斷層南側(cè)、蓮葉塔村北側(cè)；地表為山谷地形，溝谷縱橫；工作面煤層頂板到地面的垂直厚度203～328 m，平均煤層頂板到地面的垂直厚度265 m 左右。

2）井下位置工作面井下位置東側(cè)是北七采區(qū)。東起48712 工作面（已形成）切眼，西至48706 工作面（已形成）單軌吊巷，在實(shí)煤區(qū)南側(cè)，西南部相鄰8號(hào)煤48710、48708 采空區(qū)。西銘礦西七盤區(qū)工作面開(kāi)采了48712 工作面上覆2 號(hào)煤，同時(shí)，也有一部分煤被西銘鄉(xiāng)小窯開(kāi)采，2 號(hào)煤層與8 號(hào)煤層之間相隔距離大概是94 m。首先施工48712 切眼聯(lián)絡(luò)巷，從切眼開(kāi)口沿8 號(hào)煤以254°59′56″方位施工15 m；以344°59′56″方位開(kāi)口施工瓦斯治理巷掘進(jìn)50 m，以10°下山掘進(jìn)50 m 穿層進(jìn)入9 號(hào)煤；沿9號(hào)煤掘進(jìn)57 m 后再以273°41′22″方位掘進(jìn)266 m，后以10°上山穿層掘進(jìn)55 m，進(jìn)入8 號(hào)煤，沿8號(hào)煤施工232 m 后與48706 單軌吊巷貫通。

2 巷道斷面設(shè)計(jì)

48712 瓦斯治理巷為工作面瓦斯治理巷道。巷道沿8 號(hào)、9 號(hào)煤施工時(shí)選用矩形斷面，寬4.0 m，高3.6 m。巷道穿層施工時(shí)選用梯形斷面，上寬3.9 m，下寬4.85 m，高3.2 m，可滿足通風(fēng)要求。

1）瓦斯治理巷掘進(jìn)機(jī)最大寬度為2.9 m，巷幫和掘進(jìn)機(jī)安全間隙0.8 m。

以上參數(shù)確定瓦斯治理巷沿8 號(hào)煤施工時(shí)掘進(jìn)寬度為：設(shè)備寬度（2.9 m）+巷幫和掘進(jìn)機(jī)安全間隙（0.8 m）=3.7 m。

所以巷道毛寬4.0 m，凈寬3.9 m。

瓦斯治理巷設(shè)計(jì)高度為3.5 m，為保證掘進(jìn)機(jī)臨時(shí)支護(hù)能正常升起，故瓦斯治理巷設(shè)計(jì)高度為3.6 m。

2）按最小斷面風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：Q巷為局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際吸風(fēng)量，取600 m3/min；S掘?yàn)榫蜻M(jìn)斷面，取14 m2。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（1）得：V巷=42.857 m/min=0.71 m/s。

由于0.25＜0.71＜4，故巷道斷面設(shè)計(jì)合理。

3）根據(jù)以上參數(shù)確定：瓦斯治理巷沿8 號(hào)煤及9號(hào)煤施工時(shí)掘進(jìn)毛寬4.0 m,毛高3.6 m，毛斷面積14.4 m2；凈寬3.9 m，凈高3.55 m，凈斷面積13.84 m2。

4）根據(jù)以上參數(shù)確定：瓦斯治理巷穿層施工時(shí)采用架棚支護(hù)，掘進(jìn)毛上寬3.9 m，毛下寬4.9 m，毛高3.4 m，毛斷面積14.96 m2；凈上寬3.5 m，凈下寬4.6 m，凈高3.0 m，凈斷面積12.96 m2。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)形式

該工作面沿8 號(hào)煤頂板掘進(jìn)時(shí)，頂、幫采用螺紋鋼錨桿“一掘一錨”支護(hù)；當(dāng)該工作面遇斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，陷落柱伴生斷層對(duì)煤層的破壞性大，同時(shí)容易產(chǎn)生安全事故，需要選擇架棚支護(hù)及類似穩(wěn)定的支護(hù)形式，并制定專項(xiàng)安全技術(shù)措施。

1）瓦斯治理巷沿8 號(hào)煤石灰?guī)r頂板掘進(jìn)時(shí)，頂板采用“錨桿（Φ20 mm×1 800 mm）+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)形式，沿煤層頂板矩形布置，同一排錨桿之間的間距和兩排錨桿之間的間距即錨桿間排距1 200 mm、1 500 mm，錨索規(guī)格Φ17.8 mm×5 400 mm，兩排錨索之間花形布置，間排距3.0 m、1.5 m；

兩幫采用“錨桿（Φ20 mm×1 800 mm）+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)形式，沿煤層頂板矩形布置。同一排錨桿之間的間距和兩排錨桿之間的間距即錨桿間排距1 500 mm、1 300 mm，錨桿之間矩形布置，最上排錨桿距煤層頂板之間的距離為300 mm。左側(cè)護(hù)幫錨索Φ17.8 mm×3 000 mm，錨索之間矩形布置，間距3.0 m、排距1.5 m。

2）瓦斯治理巷穿層掘進(jìn)時(shí)，煤層采用架棚支護(hù)形式，其中棚梁長(zhǎng)380 cm，棚腿長(zhǎng)340 cm，材質(zhì)選擇使用11 號(hào)礦用工字鋼，構(gòu)頂、攀幫、撐木分別為6、6、4 根。工字鋼棚距60 cm。

3.2 巷道支護(hù)參數(shù)

瓦斯治理巷沿石灰?guī)r頂板掘進(jìn)支護(hù)計(jì)算。

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)主要確定的數(shù)值包括巷幫破壞深度C，煤層頂板破壞高度b、煤層頂板載荷集度Qr，巷幫載荷集度Qs，以及錨桿支護(hù)的參數(shù)。

3.2.1 巷道兩幫破壞深度C 的確定

式 中：Kσ為應(yīng)力集中系數(shù)，Kσ=Ks×Ka=2.3 ×1.27=2.921，其中Ks為應(yīng)力集中系數(shù)，關(guān)系到巷道斷面形狀，經(jīng)驗(yàn)值取2.3；Ka為臨近工作面開(kāi)采區(qū)對(duì)目標(biāo)開(kāi)采區(qū)影響的系數(shù)，由式（3）確定：

式中：X 為煤柱實(shí)際寬度，取15 m；σrm為老頂單向抗壓強(qiáng)度，取70 MPa；h 為采高，取4.2 m；hi為直接頂厚度，平均2.81 m；σcc為被巷道切割的煤層單一方向所能承受壓力強(qiáng)度，取16 MPa；γ 為巷道上被巖石覆蓋的煤層的平均容重，經(jīng)驗(yàn)值取25 kN/m3；H 為巷道埋深，取328 m；α 為煤層傾角，取5°；hc為煤層受到巷道切割后的厚度，取4.2 m；l 為煤層受到巷道切割后的最大寬度，取4.0 m；μ 為煤層泊松比，在有實(shí)測(cè)值的情況下，用實(shí)測(cè)值，在無(wú)實(shí)測(cè)值情況下，選經(jīng)驗(yàn)值0.45；Φ 為煤層內(nèi)摩擦角（°），

將上述數(shù)據(jù)代入式（2）得：C=0.43 m。

3.2.2 巷道頂板破壞高度b 的確定

許江等［18］以紅皮紅心、綠皮紅心、紅皮白心和白皮白心4種不同肉質(zhì)顏色的32份蘿卜品種為試材，鏡檢觀測(cè)不同顏色肉質(zhì)蘿卜的核型。分析結(jié)果表明，不同顏色肉質(zhì)蘿卜具有相同的染色體數(shù)目，染色體結(jié)構(gòu)均較對(duì)稱，多數(shù)染色體為中部著絲點(diǎn)染色體，染色體長(zhǎng)度差異不明顯，都沒(méi)有隨體。所有材料的對(duì)稱性都較強(qiáng)，說(shuō)明它們屬于進(jìn)化上比較原始的類型，但白色肉質(zhì)蘿卜相對(duì)紅色肉質(zhì)蘿卜具有更強(qiáng)的對(duì)稱性。從核型上分析，紅色肉質(zhì)蘿卜比白色肉質(zhì)蘿卜進(jìn)化程度更高。

對(duì)于頂板為均質(zhì)巖層，b 由式（4）確定：

式中：a 為懸臂巖層的半跨距，2.0 m；C 為巷道兩幫破壞深度，0.43 m；λ 為考慮來(lái)自水平方向壓力的巷道側(cè)壓系數(shù)，取0.818；Ky為頂板巖層完整系數(shù)，與巖層裂縫、煤層分層厚度與煤層承受強(qiáng)度等因素有關(guān)，，其中D1為節(jié)理間距，取0.3 m；D2為分層厚度，取0.2 m；σcr為頂板巖層抗壓強(qiáng)度，取70 MPa。

將上述數(shù)據(jù)代入得：b=0.81。

3.2.3 煤層頂板載荷集度Qr的確定

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（5）得：Qr=126 kN/m。

3.2.4 巷幫載荷集度Qs的確定

兩幫均為煤層時(shí)巷幫載荷集度：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）得：Qs=33 kN/m。

1）因?yàn)槊簩禹敯迤茐母叨确秶?.3～1.5 m 之間，所以選擇下面方法確定頂錨桿的長(zhǎng)度：

式中：Δ 為錨桿暴露在外面的長(zhǎng)度與錨桿固定部分的長(zhǎng)度之和，錨桿暴露在外面的長(zhǎng)度取0.1 m，錨入穩(wěn)定巖層的錨桿固定部分的長(zhǎng)度取0.8 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（7）得：Lbr=1.71 m，根據(jù)相鄰工作面施工經(jīng)驗(yàn)取1.8 m。

2）幫錨桿長(zhǎng)度：由于0.3＜C＜1.5 m，選擇下面方法確定幫錨桿的長(zhǎng)度：

式中：Δ 為錨桿暴露在外面的長(zhǎng)度與錨桿固定部分的長(zhǎng)度之和，錨桿暴露在外面的長(zhǎng)度取0.1 m，錨入穩(wěn)定巖層的錨桿固定部分的長(zhǎng)度取1.0 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（8）得：Lbr'=1.53 m，根據(jù)相鄰工作面施工經(jīng)驗(yàn)取1.8 m。

3.2.6 錨桿參數(shù)計(jì)算

頂錨桿選用MSGLW-335/20×1800 型左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，幫錨桿選用MSGLW-335/20×1800 型左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，以錨桿的屈服力105 kN 計(jì)算錨桿參數(shù)。

1）錨桿桿體直徑d，根據(jù)錨桿承受壓力與錨桿固定部分承受強(qiáng)度原則確定。

式中：Q 為錨桿錨固力，取105 kN；σt為桿體材料抗拉強(qiáng)度，取490 MPa。

將上述數(shù)據(jù)代入式（9）得：d=16.44 mm，取20 mm。

2）頂錨桿排距Dr：

式中：Pr為錨桿錨固力，取105 kN；K 為安全系數(shù)，取1。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（10）得Dr=2.0 m。通過(guò)以上計(jì)算及錨桿使用的經(jīng)驗(yàn)，瓦斯治理巷取1.5 m。

3）每排頂錨桿根數(shù)N：

式中：K 為安全系數(shù)，取1；Qr為頂板載荷集度，Qr=126 kN/m；Dr為錨桿排距，取1.5m；Pr為錨桿錨固力，取105 kN。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（11）得N=1.8 根。為增加頂板的支護(hù)強(qiáng)度，根據(jù)相鄰工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，瓦斯治理巷掘進(jìn)時(shí)取4 根。

4）每排幫錨桿根數(shù)：

式中：K 為安全系數(shù)，取2；Qs為兩幫載荷集度，取33 kN/m；Ds為錨桿排距，取1.5 m；Ps為幫錨桿錨固力，取105 kN。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（12）得N'=0.94 根。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，瓦斯治理巷取3 根。

經(jīng)計(jì)算及結(jié)合西銘礦相鄰工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，瓦斯治理巷頂錨桿的間排距確定為1.2 m、1.5 m，矩形布置，能滿足支護(hù)的要求。幫錨桿的間、排距確定為1.5 m、1.3 m，能滿足支護(hù)的要求。

3.2.7 驗(yàn)算支護(hù)強(qiáng)度

根據(jù)錨桿的設(shè)計(jì)錨固力，頂錨桿設(shè)計(jì)錨固力Q為90 kN，幫錨桿設(shè)計(jì)錨固力Ps為50 kN，驗(yàn)算支護(hù)強(qiáng)度。

1）錨桿桿體直徑d：根據(jù)錨桿承受壓力與錨桿固定部分承受強(qiáng)度原則進(jìn)行驗(yàn)算。將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（9）得：d=15.22 mm，取20 mm。

2）頂錨桿排距Dr：將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（10）得：Dr=1.82 m。通過(guò)以上驗(yàn)算，瓦斯治理巷取1.5 m，能滿足支護(hù)的要求。

3）每排頂錨桿根數(shù)N：將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（11）得：N=2.1 根。通過(guò)以上驗(yàn)算，瓦斯治理巷掘進(jìn)時(shí)取4根，能滿足支護(hù)的要求。

4）每排幫錨桿根數(shù)：將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（12）得：N'=1.98 根。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，瓦斯治理巷取3 根能滿足支護(hù)的要求。

經(jīng)計(jì)算及結(jié)合西銘礦相鄰工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，瓦斯治理巷頂錨桿的間、排距確定為1.2 m、1.5 m，矩形布置，能滿足支護(hù)的要求。幫錨桿的間、排距確定為1.5 m、1.3 m，能滿足支護(hù)的要求[1-3]。

4 結(jié)語(yǔ)

錨桿、錨索和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)有利于治理回采期間的瓦斯，保證了48712 工作面的生產(chǎn)安全。錨桿、錨索和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)在回采結(jié)束后能夠長(zhǎng)期保持支護(hù)狀態(tài)，提高回采工人的工作效率，減少支護(hù)成本，提高瓦斯治理巷斷面的利用效率，增加煤礦企業(yè)收益，為礦井安全生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)。