3- 邊角082運輸巷道支護設計及施工工藝

陳 旋

(山西省長治經坊煤業有限公司， 山西 長治 047100)

1 前言

3#煤層位于經坊煤業七采區，3- 邊角082工作面所掘煤層屬沁水煤田3#煤層，為二疊系下統山西組，煤層賦存穩定，平均厚度6.3m，煤層傾角為2°～6°，屬貧瘦煤，普氏硬度系數f=1.5。地面標高+950～+956m，煤層底板標高+680～+700m。

3- 邊角082運輸巷道施工采用綜合機械化工藝；硐室施工及過地質構造帶施工時，采用鉆爆法工藝。3- 邊角082運輸巷道總長度為1 038.33m，其中利用原3- 7051運輸巷道長度為620.58m，新掘進巷道長度為417.75m。運輸巷道掘進中需布置臨時水倉2個，無軌膠輪車掉頭硐室2個，材料、油脂硐室各4個。

依據3- 邊角082運輸巷道支護設計，3- 邊角082運輸巷道為矩形斷面，巷道寬為5.2m，高為3.1m，沿3#煤層底板掘進。開口處坐標X為3996979.613，Y為19683924.230,掘進方位角為88°13′9″。

2 巷道支護設計

本巷道支護設計參照采礦工程設計手冊圍巖分類標準、掘進斷面選擇及支護參數選取，利用工程類比法確定本運輸巷道支護形式及支護參數。根據鄰近工作面兩運輸巷道礦壓觀察數據及支護經驗，確定3- 邊角082運輸巷道采用矩形斷面，錨桿+網+錨索聯合支護。

2.1 采用類比法合理選擇支護參數

根據鄰近工作面兩巷礦壓觀測資料和同煤層鄰近巷道的支護經驗，3- 邊角082運輸巷道頂錨桿、幫錨桿均采用φ22mm×2 400mm左旋螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距為800mm×800mm，幫錨桿間排距為850mm×800mm；錨索采用φ22mm×9 000mm的19股高強度低松弛預應力鋼絞線，每排2根，錨索間距為2 400mm，排距為1 600mm。

頂錨桿預緊力矩不低于320N·m,錨固力不小于150kN。幫錨桿預緊力矩不低于320N·m,錨固力不小于100kN。錨索預應力不低于150kN，錨固力為300kN。

2.2 校核支護參數

1) 錨桿長度參數計算

頂錨桿通過懸吊作用，幫錨桿通過加固幫體作用，達到支護效果的條件。錨桿長度應滿足

L≥L1+L2+L3

(1)

式中：L——錨桿總長，m；

L1——錨桿外露長，取0.1m；

L2——有效長度(頂錨桿取免壓拱高b，幫錨桿取煤幫破碎深度c)，m；

L3——錨桿錨固長度(取值0.3～0.4m)，m。

普氏免壓拱高b為

b=[B/2+Htan(45°-ω幫/2)]/f頂

(2)

式中：B、H——巷道掘進寬度和高度，B=5.2m，H=3.1m；

f頂——頂板巖石普氏系數，取2；

ω幫——兩幫圍巖的內摩擦角，取63.43°。

b=[5.2/2+3.1×tan(45°-63.43/2)]/2=1.67m

依據上述公式計算得出：錨桿總長L≥L1+L2+L3=0.1+1.67+0.4=2.17m，所選錨桿長度均能滿足計算要求。

2) 錨桿直徑參數計算

按桿體承載力與錨固力等強度原則，頂錨桿直徑為

(3)

式中：Q——錨桿錨固力,取現場拉拔力試驗數據的平均值或經驗數據,0.15MN；

σt——桿體材料的設計抗拉強度，Pa，材質為HRB335鋼筋的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其值為455MPa。

因此，錨桿直徑取值應不小于20.52mm，所選錨桿為φ22mm，滿足計算要求。

3) 按錨桿所能懸吊的重量校核錨桿的排距

以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為

(4)

式中：Q——錨桿的錨固力，取值為0.15MN；

k——安全系數，取值為2；

γ——覆巖層的平均體積力，取值為0.0141MN/m3；

L2——上覆不穩定巖層的厚度，根據前文計算取值1.7m。

考慮礦井實際情況，結合我國《煤巷錨桿支護技術規范》規定：錨桿間距不易大于錨桿長度的1/2；Ⅳ、Ⅲ類圍巖的錨桿間距宜為0.5～1.0m，不得大于1.25m。根據我國煤炭系統的經驗，巖石較穩定時，通常取0.8～1.0m，松軟巖層時，通常取0.6～0.7m。

結合巷道斷面，故3- 邊角082運輸巷道頂錨桿間排距為800mm×800mm，幫錨桿間排距為850mm×800mm。

4) 錨索長度計算

錨索的長度應滿足[1]

L=La+Lb+Lc+Ld

(5)

式中：L——錨索的總長度，m；

La——錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，m。

式中：d1——錨索直徑，取22mm；

fa——錨索抗拉強度，取1 860N/m2；

fc——錨索與錨固劑的黏結強度，10N/m2；

Lb——需要懸吊的不穩定巖層厚度，取兩倍采高6.2m；

Lc——托板及錨具的厚度，0.07m；

Ld——外露張拉長度，0.25m。

L=1.0+6.2+0.07+0.25=7.52m

結合以上計算取錨索長度應不小于7.52m，3- 邊角082運輸巷道選用φ22mm×9 000mm高強度預應力鋼絞線，滿足計算要求。

3 支護施工工藝

3.1 支護形式及材料規格

1)支護形式

(1)頂板采用錨桿、錨索、鋼梁、經緯金屬網聯合支護。

(2)兩幫采用錨桿、鋼梁、經緯金屬網支護。

(3)頂板錨索支護采用φ22mm×9 000mm的19股高強度低松弛預應力鋼絞線，每排2根，錨索間距為2 400mm，排距為1 600mm。

(4)運輸巷道每掘進50m全斷面鋪設一排絕緣網，聯網要求與金屬網相同。

絕緣網參數：單根拉斷力大于2 400N，拉斷伸長率小于25%，拉伸強度大于180MPa，上下表面電阻值均小于1.0×109Ω。

2)安裝錨桿要求

(1)頂錨桿間排距為800mm×800mm，幫錨桿間排距850mm×800mm。

錨桿外露長度從錨桿螺母算起不小于10mm、不大于50mm。

(2)錨固力：頂錨桿不小于150kN，幫錨桿不小于100kN。

螺母扭力矩：頂錨桿不低于320N·m，幫錨桿不低于320N·m。

(3)頂錨桿角度垂直于頂板，遇裂隙時，錨桿要盡量垂直于裂隙面；幫錨桿垂直巷幫布置，托板垂直于頂底板。

(4)頂幫錨桿孔深均為2 350mm，打設頂錨桿使用MQT- 130/3.0S錨桿鉆機鉆頂眼，鉆頭使用φ32mm的合金鋼鉆頭。先用1.2m中空六方短鉆桿鉆進，然后更換為2.4m鉆桿。鉆眼時，嚴格按錨桿間、排距設計進行，鉆機升起使鉆頭插入相應的鋼筋梁孔中，然后開動鉆機進行鉆眼。頂錨桿眼深為2 350mm，誤差0～+30mm。

(5)錨桿支護工序：由外向里、先頂后幫、先中間后兩邊。

3)鋪聯網要求

金屬網之間長邊搭接100mm,短邊搭接200mm，聯網時用16#鉛絲雙邊雙聯、雙絲雙扣、孔孔相連，必須連接牢固，保證聯網質量。

4)錨索支護要求

(1)錨索支護形式為配金屬托板支護。

(2)打設錨索使用MQT- 130/3.0S型氣動錨桿鉆機鉆頂眼，三人一組進行操作。鉆機必須支設牢固。采用B19中空六方接長鉆桿和φ32mm鉆頭按設計位置鉆孔，孔深8 700mm,誤差0～+100mm。

(3)利用錨索將樹脂藥卷(1支K2335型、2支Z2360型)輕輕推送至孔底，錨索下端用攪拌器與錨桿鉆機相連，開機攪拌同時向上推進錨索。先慢后快，待錨索推至眼底后，采用全速攪拌30s，停止攪拌，等待30s后下縮錨桿鉆機，卸下攪拌器。錨索外露為鎖具外150～250mm之間[2]。

(4)張拉錨索：待錨索凝固1h后，方可安裝托板、鎖具，并用張拉千斤頂張拉錨索到設計預應力150kN之后卸下千斤頂。

(5)錨索預緊時，必須用錨索專用張拉器拉緊，達到預緊力矩。

5)循環進尺

循環進尺可根據工作面幫頂情況而定：

(1)在頂板完整，煤層層理、節理都不太發育時，循環進尺可定為1.6m，最大空頂距為1.8m,最小空頂距為0.2m。

(2)在頂板有淋水或煤層層理、節理都比較發育，煤層松軟時，循環進尺為0.8m，最大空頂距為1m,最小空頂距為0.2m。

3.2 支護工藝及要求

1)臨時支護

敲幫問頂：人員進入工作面前，由班長利用長度不小于2.5m的長柄工具站在有效支護安全區認真進行敲幫問頂并及時處理活矸、活炭；有頂板離層等異常情況時，要及時采取措施；確認安全后，方可進入工作面作業。

(1)吊環式前探梁臨時支護。臨時支護采用3根φ75mm鋼管作為前探梁，臨時支護中前探梁分別用兩個吊環固定在工作面頂錨桿上，前后吊環間距為兩排錨桿支護間距(即1.6m)，前探梁上用背板接頂，背緊背牢，背板數量需滿足臨時支護要求。臨時支護距工作面煤壁300mm，距工作面兩側煤壁為350mm。

背板：采用優質松木，規格為4 500mm×350mm×50mm。

前探梁：采用φ75mm，長4m，厚度不小于5mm的鋼管制作。

吊環：用厚度為10mm鋼板制作的專用吊環，用錨桿螺帽固定在合格有效的錨桿上，螺母必須擰緊、牢固，嚴禁有失效和脫扣現象。

工作面地質條件穩定時臨時支護采用ZLJ- 5.5機載臨時支護裝置，額定工作壓力為16MPa，初撐力不低于16kN，額定工作阻力為20kN，支護強度為5.5kN/m2，掘進中必須及時跟進接頂，確保臨時支護安全有效。工作面頂板及圍巖破碎或揭露構造帶時采用吊環式前探梁臨時支護。

(2)超前錨桿臨時支護。當掘進工作面揭露斷層、陷落柱及圍巖破碎頂板壓力較大時，在使用吊環式前探梁臨時支護的同時采用超前錨桿加強支護，具體要求如下：

掘進前，在永久支護區將超前錨桿以水平向上70°夾角打入掘進前方穩定煤巖層內，超前錨桿間排距1 000mm×800mm，距兩幫不大于500mm，使其起到支護掘進進尺范圍內頂板，有效地約束圍巖在掘進后的一定時間內不發生松弛坍塌，確保安全施工。

超前錨桿采用φ22mm×2 400mm左旋螺紋鋼錨桿，使用K2335和Z2360型樹脂錨固劑各一支，頂錨桿預緊力矩不低于320N·m,錨固力為150kN，錨桿外露為螺母絲扣外10～40mm之間。

掘進后，及時推進前探梁臨時支護，然后進行永久支護作業。

2)加強支護工藝及要求

(1)錨網+木棚聯合支護。當巷道穿越斷層、陷落柱及圍巖破碎帶時，及時縮短錨索間排距，采用錨網+木棚聯合支護。

木棚：選用直徑不小于160mm的圓木架棚，木棚與巷幫之間用背板接幫，背緊背牢，在梁腿接口處與頂幫圍巖之間，需用四個角楔楔緊。木棚排距800mm，圍巖較破碎時，根據實際情況縮短木棚排距。

(2)錨網+單體液壓支柱與π型鋼梁聯合支護。當巷道穿越斷層、陷落柱及圍巖破碎帶，受相鄰工作面采動影響較大，頂板壓力大時，及時縮短錨索間排距，可采用錨網+單體液壓支柱與π型梁聯合支護。

采用4.8m的π型梁與單體液壓支柱進行支護，支護方式為一梁兩柱，棚距800mm，兩幫單體液壓支柱距梁頭150mm，柱頭須用防倒繩與頂板鋼梁進行連接，單體液壓支柱初撐力符合要求(不得小于90kN)；當巷道帶有坡度時，迎山角合格。

4 結論

通過對巷道進行了支護設計，3- 邊角082運輸巷道頂錨桿、幫錨桿均采用φ22mm×2 400mm左旋螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距為800mm×800mm，幫錨桿間排距為850mm×800mm；錨索采用φ22mm×9 000mm的19股高強度低松弛預應力鋼絞線。