西銘礦48703 工作面支護技術的研究

王樹峰

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

隨著地質賦存條件簡單的煤炭資源逐漸枯竭，轉向開采地質賦存條件較為復雜的煤層，由于受到礦山壓力和工作面推進影響，工作面巷道圍巖完整性受到破壞，變形較為嚴重，需針對具體的工作面地質環境進行巷道支護技術研究[1-2]。

現階段，許多研究學者針對巷道支護技術進行了大量研究。張琪[3]分析得到巷道兩幫圍巖破壞不大及頂底板完整，優化了支護參數，減小了支護強度；王文才[4]采用FLAC3D 及正交試驗法優化了巷道支護參數，取得了良好的效果；張科[5]針對郭莊煤礦大斷面全煤巷道，分析了巷道圍巖破壞特征，優化了錨桿及錨索間距。本文針對西銘礦48703 工作面頂底板具體地質條件進行支護技術研究。

1 工程概況

西銘礦48703 工作面井下位于北七采區右翼。北鄰隨老母斷層，間距5～15 m；南鄰北七右翼回風巷；西鄰48705 工作面采空區，東鄰實煤區，工作面布置如圖1 所示。工作面上覆2 號煤、3 號煤均已回采，北部上覆2 號煤局部為巨成礦小窯所采，8 號煤與2 號煤層間距94 m 左右，與3 號煤層間距67 m左右。該面所掘8 號煤層節理發育，結構復雜。煤層上部夾石為1.50～3.40 m，平均2.45 m 的頁巖或砂質頁巖。8 號煤上分層厚度0.50～0.70 m，平均0.63 m；下分層厚度2.90～3.20 m，平均3.10 m，厚度變化不大，屬單一穩定的中厚煤層。頂底板巖層巖性如表1所示。

該工作面所采煤層經鑒定屬于有煤塵爆炸性，爆炸性指數為17.81%，自燃傾向性為Ⅱ級，屬自燃煤層。根據相鄰的工作面瓦斯涌出量資料，預測48703 輔助回風巷工作面掘進期間瓦斯絕對涌出量為2 m3/min。

圖1 工作面布置圖

表1 煤層頂底板情況表

2 巷道布置

西銘礦48703 輔助進風巷掘進8 號煤層，地面標高1 250～1 446 m，工作面標高1 012～1 070 m。48703 輔助進風巷，巷道布置在48703 工作面的東側與轉運巷聯通后，按155°方位角掘進1 352 m。48703 輔助進風巷用于48703 工作面回采期間的輔助進風，設計長度1 536 m，回風巷301 m，回風貫眼39 m。巷道沿8 號煤頂板掘進。根據相鄰工作面巷道掘進經驗及本工作面巷道的使用功能，確定巷道采用矩形斷面，斷面尺寸為凈寬4.8 m，凈高3.8 m，凈斷面18.24 m2。

3 巷道永久支護的設計

由相似工作面地質條件巷道所采取的支護經驗，西銘礦48703 輔助進風巷采用錨桿+錨網索聯合支護方式。

3.1 頂錨桿參數的計算

3.1.1 頂錨桿長度的計算

式中：H為軟弱巖層厚度，取0.6 m；K為安全系數，取2；L1為錨桿外露長度，取0.1 m；L2為錨桿錨入堅固穩定巖層的深度，取0.3 m；L為頂錨桿的長度。

帶入計算公式可得L=1.6 m，根據相似工作面支護經驗，頂錨桿長度取1.8 m。

3.1.2 頂錨桿直徑的計算

頂錨桿直徑確定可由下式計算得到：

式中：σt為桿體材料抗拉強度，取490 MPa；d為錨桿桿體直徑，mm；Q為錨固力，取105 kN。

帶入計算公式可得d=16.44 mm，根據相似工作面支護經驗，頂錨桿直徑取20 mm。

3.1.3 頂錨桿間排距的計算

式中：γ 為巖體的容重，取23.5 kN/m3；a為錨桿的間距。

帶入計算公式可得a=1.86 m，根據相似工作面支護經驗，頂錨桿間排距取1 500 mm×1 500 mm。

綜上，頂錨桿采用間排距為1 500 mm×1 500 mm，七花形布置，Φ20×1 800 螺紋鋼錨桿支護。

3.2 幫錨桿參數的計算

3.2.1 幫錨桿長度的計算

式中：φ 為兩幫似內磨擦角，取65°；h為煤幫上排錨桿至底板高度，取3.3 m；L3為片幫最大深度。

帶入計算公式可得L3=1.63 mm，根據相似工作面支護經驗，頂錨桿長度取1.8 m。

3.2.2 幫錨桿間排距的計算

式中：rc為8 號煤的容重，取1.42 t/m3；qc為兩幫側壓力；h0為錨桿錨入煤巷深度，取1.7 m；h'為掘進巷道高度，取3.8 m。

帶入計算公式可得qc=0.95 t/m，根據相似工作面支護經驗，幫錨桿間排距取1 500 mm×1 400 mm，呈矩形布置，三排，上排距頂0.3 m，下排距底板0.7 m。設計錨固力為5 t/根，現場實際支護密度采取4 t/根，單側煤幫實際支護強度為10 t/m，可以保障支護要求。

3.3 錨索補強的計算

3.3.1 錨索長度的計算

式中：L5為錨索外露長度，取0.35 mm；L6為上托盤厚度，取0.2 m；L7為懸吊不穩定巖層厚度，取2 m；L8為錨索錨固長度，取2 m；L4為錨索的總長度。

帶入計算公式可得L4=4.55 mm，根據相似工作面支護經驗，錨索長度取5.4 m。

3.3.2 錨索間排距的計算

式中：F1為錨索設計錨固力，取70 kN；c為錨桿排距，取1.5 m；θ 為角錨桿與巷道的夾角，75°；B為巷道最大冒落寬度，取4.8 m；F2為單根錨索極限破斷力，取355 kN；H' 為巷道最大冒落高度，取2.4 m；n為錨桿排數，取2 排；b為錨索的排距。

代入可得b=3.93 m，根據相似工作面支護經驗，取錨索間排距2.0 m×2.4 m，兩排矩形布置，滿足支護要求。

4 巷道臨時支護的設計

4.1 臨時支護的目的

在掘進巷道中，臨時支護能有效控制頂板，暫時維護圍巖穩定和杜絕頂板事故的發生，保證掘進工作面在巷道支護的過程中不在空頂下作業，保障作業人員施工的安全和作業地點的安全。

4.2 臨時支護的使用

臨時支護采用掘錨護一體機錨護部做臨時支護，具體參數如表2 所示，施工完成一個循環之后，將臨時支護升起，進行錨桿+錨索永久支護，然后進行下一循環（由于巷道斷面過寬，超出機載臨時支護有效支護寬度，所以打錨桿支護時要先在有臨時支護下進行，結束一面后移動掘進機至另一面，將臨時支護升起接頂進行錨桿支護）。工作面循環進度為3 m，工作面最大控頂距為3.4 m，最小控頂距為0.4 m。

表2 錨護部參數

5 工業試驗

48703 輔助進風巷采用如上支護技術方案進行支護工作，為研究以上方案參數的合理性及巷道圍巖的變形量，在巷道每隔30 m 設置一個測站，分別記錄巷道兩幫及頂底板變形量。

由下頁圖2 可知，在工作面回采期間，兩幫移近量穩定在115 mm，頂底板移近量穩定在55 mm，完全可以保證巷道的安全穩定，保障工作面的正常回采需求。

圖2 巷道變形量

6 結論

根據巷道布置以及煤層賦存情況，設計巷道均采用矩形斷面，斷面尺寸為4.8 m×3.8 m；根據相似巷道支護經驗選用錨桿+錨索聯合支護方式，并理論計算了錨桿錨索參數，頂錨桿采用間排距為1 500 mm×1 500 mm、Φ20×1 800 螺紋鋼錨桿支護；幫錨桿采用間排距為1 500 mm×1 400 mm、Φ20 mm×1 800 螺紋鋼錨桿支護；錨索采用直徑為17.8 mm，長度為5 400 mm 的高強度預應力鋼絞線，錨索間排距為2 000 mm×2 400 mm；最后通過現場工作面實際應用變形量監測，證明此支護方案可以保證48703 輔助進風巷的安全穩定。