回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

周世強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)臨汾宏大勝利煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041099）

引言

煤礦生產(chǎn)包括巷道掘進(jìn)、煤巷開采兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)均需對(duì)巷道進(jìn)行全面、有效的支護(hù)，才能夠在保證工作面設(shè)備及人員安全的基礎(chǔ)上，提升工作面的掘進(jìn)開采效率。掘進(jìn)工作面和綜采工作面支護(hù)參數(shù)需在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和實(shí)施條件的基礎(chǔ)上才能夠綜合確定[1]。本文將對(duì)回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行核驗(yàn)，并對(duì)其施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 1901回風(fēng)順槽工程概述

本文以同煤集團(tuán)宏達(dá)勝利煤業(yè)有限公司的1901工作面的回風(fēng)順槽為例開展研究，1901回風(fēng)順槽沿9號(hào)—11號(hào)煤層底板掘進(jìn)，開口點(diǎn)南145 m為回風(fēng)立井，方向49°，巷道左鄰為設(shè)計(jì)1903工作面，右為設(shè)計(jì)1907工作面。通過(guò)1901輔助運(yùn)輸巷和北膠帶大巷相連。1901回風(fēng)順槽主要用于1901備采工作面的通風(fēng)、行人、運(yùn)料等。

1901回風(fēng)順槽位于9號(hào)—11號(hào)煤層。根據(jù)1901輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)情況和剖面圖、底板等高線圖等資料分析，煤層構(gòu)造較發(fā)育，斷層、褶曲較多。煤層厚度2.06～4.5 m，煤層走向49°，傾向319°，傾角為1°～3°，9號(hào)—11號(hào)煤層視密度為1.41 kg/m3。礦井以0.6 Mt/a產(chǎn)量開采9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)煤層時(shí)，最大絕對(duì)瓦斯涌出量3.33 m3/min，最大相對(duì)涌出量為2.64 m3/t。1901工作面順槽的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

總的來(lái)講，1901工作面回風(fēng)順槽的頂?shù)装鍡l件相對(duì)簡(jiǎn)單，即其地質(zhì)構(gòu)造類型屬于簡(jiǎn)單型。

2 1901回風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1901回風(fēng)順槽的斷面形狀為矩形，結(jié)合以往支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和施工效率，1901回風(fēng)順槽采用錨桿+錨索+網(wǎng)+W鋼帶對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)[2]。

表1 1901工作面回風(fēng)順槽頂?shù)装迩闆r

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

結(jié)合“普氏自然平衡拱理論”對(duì)1901回風(fēng)順槽的錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分別對(duì)錨桿長(zhǎng)度、直徑、間距和排間距等參數(shù)進(jìn)行核算。

2.1.1 錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算

錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中，L1為錨桿的外露長(zhǎng)度，由于本支護(hù)方案選用鐵托板進(jìn)行支護(hù)，因此取錨桿的外露長(zhǎng)度為100 mm；L2為錨桿的有效長(zhǎng)度，該參數(shù)與回風(fēng)順槽頂板的巖層條件相關(guān)，由于1901回風(fēng)順槽的普氏硬度系數(shù)為2.0[3]，對(duì)應(yīng)的錨桿有效長(zhǎng)度的計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：B為1901回風(fēng)順槽的巷道寬度，B=3 500 mm；H為1901回風(fēng)順槽的巷道掘進(jìn)高度，H=2 800 mm；f頂為1901回風(fēng)順槽的巷道頂板巖層的普氏硬度系數(shù)，f頂=2.0；ω為1901回風(fēng)順槽巷道兩幫圍巖的似內(nèi)摩擦角，ω=63.4°。將上述參數(shù)代入式（2）得出，錨桿的有效長(zhǎng)度L2=1 206 mm。

L3為錨桿深入巖層或煤層的錨固長(zhǎng)度，其計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：d為錨桿的直徑，暫取d=20 mm；σ2為錨桿材料的抗拉強(qiáng)度，選用螺紋鋼金屬錨桿對(duì)應(yīng)σ2=510 MPa；τc為錨桿與錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度，τc=5 MPa。將上述參數(shù)代入式（3）得出，錨桿的錨固長(zhǎng)度為510 mm。

綜上所述，錨桿設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度L=100 mm+1 206 mm+510 mm=1 816 mm。結(jié)合當(dāng)前錨桿各種規(guī)格參數(shù)，選用長(zhǎng)度為2 200 mm的錨桿。

2.1.2 錨桿直徑的計(jì)算

錨桿直徑的確定與所選型錨桿本身的承載能力和抗拉強(qiáng)度相關(guān)，選取普通低碳鋼錨桿為例計(jì)算其直徑，計(jì)算公式如式（4）所示：

式中：Q為頂錨桿的抗拉拔力，Q=98 kN；σt為普通低碳錨桿的抗拉強(qiáng)度，σt=410 MPa。將上述參數(shù)代入式（4）中得出，當(dāng)選用普通低碳錨桿時(shí)直徑大于17.3 mm即可。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)錨桿直徑的規(guī)格，確定錨桿直徑為20 mm[4]。

2.1.3 錨桿間排距參數(shù)的計(jì)算

錨桿間距的計(jì)算公式如式（5）所示：

式中：d為錨桿直徑，d=20 mm；σt為普通低碳錨桿的抗拉強(qiáng)度，σt=410 MPa；K為錨桿的安全系數(shù)，一般K=2.0；γ為1901回風(fēng)順槽巷道頂板巖層的容重，γ=25.6 kN/m3；L2為錨桿的實(shí)際有效長(zhǎng)度，取L2=2 200 mm-510 mm-100 mm=1 590 mm。經(jīng)計(jì)算可知，錨桿間距為1 270 mm。即，錨桿間距小于1 270 mm就能滿足支護(hù)要求，為充分保證最終的支護(hù)效果，取錨桿間距a=800 mm。

一般的，錨桿排間距b與錨桿間距a相等。因此，取錨桿排間距b=800 mm。

綜上所述，針對(duì)1901回風(fēng)順槽錨桿支護(hù)參數(shù)如下：錨桿直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm，錨桿間距和排間距均為800 mm。

2.2 錨索支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

錨索支護(hù)是在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，一般采用低松弛、高強(qiáng)度的鋼絞線進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，根據(jù)常規(guī)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，一般取錨索直徑為17.8 mm的鋼絞線。故，本節(jié)僅對(duì)錨索長(zhǎng)度和間距、排間距進(jìn)行計(jì)算即可。

2.2.1 錨索長(zhǎng)度的計(jì)算

錨索長(zhǎng)度由錨索外露長(zhǎng)度、巷道頂板潛在的破壞范圍以及錨索深入老頂?shù)拈L(zhǎng)度三部分組成。其中，一般取錨索的外露長(zhǎng)度為0.3 m；取巷道頂板潛在破壞范圍為3 m[5]。因此，此處僅對(duì)錨索深入老頂?shù)拈L(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如式（6）所示：

式中，d為錨索的直徑，取d=17.8 mm；σt為錨索鋼絞線的抗拉強(qiáng)度，直徑為17.8 mm錨索鋼絞線對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為1 806 MPa；τc為錨索與樹脂的黏結(jié)強(qiáng)度，取τc=10 MPa。將上述參數(shù)代入式（6）可得：錨索深入老頂?shù)拈L(zhǎng)度為0.8 m。因此，錨索的總長(zhǎng)度為0.3 m+3 m+0.8 m=4.1 m。

2.2.2 錨索間距的計(jì)算

為防止巷道頂板巖層發(fā)生大面積整體跨落，采用SKP17.8-7/1860型6 500 mm長(zhǎng)的鋼絞線將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于穩(wěn)定巖層中校核錨索排間距，冒落方式按最嚴(yán)重的冒落高度大于錨桿長(zhǎng)度的整體冒落考慮。此時(shí)，靠錨索發(fā)揮懸吊作用，在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，可用式（7）計(jì)算錨索排、間距。

式中：n為錨索的排數(shù)，取n=2；F2為錨索的極限承載力，F(xiàn)2=345 kN；B為1901回風(fēng)順槽巷道的寬度，取B=3 500 mm；H為1901回風(fēng)順槽的冒落高度，取H=4m；γ為1901回風(fēng)順槽巷道頂板巖層的容重，取γ=25.6 kN/m3；F1為錨桿的錨固力，F(xiàn)1=90 kN；θ為錨桿與巷道頂板的夾角，θ=75°；a為錨桿的間距或排間距，a=0.8 m。

將上述參數(shù)代入式（7）得出，錨索的間距或排間距應(yīng)小于4.9 m。為進(jìn)一步加強(qiáng)巷道頂板支護(hù)，確定1901回風(fēng)順槽錨索間排距為1 600 mm、錨索長(zhǎng)度6 500 mm。1901回風(fēng)順槽支護(hù)斷面示意圖如圖1所示。

3 結(jié)論

圖1 1901回風(fēng)順槽支護(hù)斷面示意圖

掘進(jìn)工作面和綜采工作面的支護(hù)質(zhì)量和支護(hù)效果直接決定后續(xù)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力以及設(shè)備及人員的安全。為此，實(shí)際生產(chǎn)中需根據(jù)工作面的實(shí)際地質(zhì)條件對(duì)支護(hù)方式進(jìn)行選取并對(duì)具體的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)1901回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)需求和地質(zhì)條件，選用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式保證工作面的安全高效生產(chǎn)。具體支護(hù)參數(shù)如下：

1）錨桿直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm，錨桿間距和排間距均為800 mm；

2）錨索鋼絞繩直徑為17.8 mm，錨索長(zhǎng)度為6 500 mm，錨索間距和排間距為1 600 mm。