掘進工作面支護的設計及工藝研究

魏海軍

（山西汾西正善煤業(yè)公司，山西 孝義 032300）

引言

近些年，伴隨著開采深度的持續(xù)提升，巷道支護變得越發(fā)困難，原本選擇金屬支架進行產(chǎn)煤的國家在20 世紀末期開始選擇錨桿技術(shù)進行掘進支護[1]。綜合現(xiàn)階段巷道支護方式，比較普遍采用的主要有錨桿支護、噴射混凝土支護、棚子支護、錨索支護、錨噴支護、聯(lián)合支護等方式。本文根據(jù)某礦2301 綜采工作面巷道支護設計研究確定對材料巷采用錨網(wǎng)索支護。

1 工作面基本情況

2301 工作面位于某礦井二采區(qū)南翼，所采煤層為3 號煤，該工作面上覆2201 工作面（已采），北部為工業(yè)廣場保安煤柱，東部為2303 工作面3 號煤實體，上覆2203 工作面（已采），西部為一采區(qū)3 號煤實體，南至井田邊界。本工作面沿3 號煤層掘進，煤層總厚度為1.10 m，屬簡單結(jié)構(gòu)，煤層穩(wěn)定。煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 3 號煤層頂?shù)装迩闆r

2 支護計算說明

2301 材料巷正巷矩形斷面錨桿支護計算說明如下：

2.1 錨桿

整合相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及規(guī)定，針對跨度不足10 m的巷道和硐室，按照以下經(jīng)驗公式確認系數(shù)。

2.1.1 經(jīng)驗公式

錨桿長度

式中：W 為巷道或硐室寬度，4.2 m；N 為圍巖穩(wěn)固的影響系數(shù)，Ⅱ類圍巖（穩(wěn)定性較好）N=0.9，Ⅲ類圍巖（中等穩(wěn)定）N=1.0，Ⅳ類圍巖（穩(wěn)定性較差）N=1.1，Ⅴ類圍巖（不穩(wěn)定，包括煤）N=1.2；dz為巖石節(jié)理之間的距離。

2.1.2 計算

N=1.2（Ⅴ類圍巖），W=4.2 m，dz=0.35 m。

則Lg=1.2×（0.9+4.2/10）=1.584 m。Lg>2×0.35=0.7 m，取Lg=2 200 mm，dg=Lg/100=2 200/100=22 mm，取dg=22 mm。

D≤0.5×2.2=1.1 m，取間距D=950 mm。

G<3×0.35=1.05 m，取排距G=1 000 mm。

按照上述計算，矩形斷面頂板需要選擇型號為Φ22 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿之間的間距為950 mm、排距為1 000 mm，符合要求。

2.2 W 鋼帶

2301 材料巷正巷采用WX-300-4.5×3950mm的W 鋼帶。

2.3 錨索

式中：Ls為錨索整體長度，m；La為錨索深入至一個相對穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；Lb為要求懸吊其不穩(wěn)定的巖層厚度，取4 350 mm；Lc為托板及錨具的厚度，取65 mm；Ld為外露的張拉長度，取300 mm。

式（6）中La的計算公式為：

式（7）中：k 為安全系數(shù)，k=1.5；ds為錨索鋼絞線直徑，取21.8 mm；fa為鋼絞線抗拉強度，取1 860 MPa；fc為錨索和錨固劑的設計黏結(jié)強度，樹脂錨固劑fc=10 MPa。代入數(shù)值計算得La≥1.5×21.8×1 860/（4×10）=1 520.55 mm。

故Ls=1520.55+4 350+65+300=5 885.55 mm，選用Φ21.8 mm×6 000 mm的鋼絞線錨索，符合要求。

根據(jù)錨索支護間排距≤L/2 公式計算：

錨索支護間排距≤6 000 mm/2，故錨索支護間距取1 500 mm，排距取2 000 mm，符合設計要求。

3 斷面支護參數(shù)（見表2）

表2 2301 材料巷矩形斷面每米材料消耗量表

4 支護工藝

4.1 支護材料（見表3）

表3 支護材料明細表

4.2 錨桿、錨索安裝工藝

4.2.1 選擇鉆具

1）頂部錨桿眼鉆具：MQT-130/3.0 錨桿鉆機配合B19 mm×1 000 mm、B19 mm×1 200 mm 鉆桿、Φ30 mm 金剛石鉆頭進行施工。

2）兩幫煤層中錨桿眼鉆具：采用ZQHS-35/2.2型氣動手持式鉆機，配合2.2 m 長麻花鉆桿、Φ30 mm Y型鉆頭打錨桿眼。

3）錨索眼鉆具：MQT-130/3.0 錨桿鉆機配合B19 mm×1 000 mm、B19 mm×1 200 mm 鉆桿、Φ30 mm金剛石鉆頭進行施工。

4.2.2 打錨桿、錨索眼

打眼之前，需要依照中線對巷道斷面尺寸進行檢查，在與作業(yè)規(guī)程要求相悖時需要對其給予事先處置，并且需要敲幫問頂尋找迎頭，仔細對頂幫和迎頭圍巖當前的情況進行檢查，去除活矸和危巖，在確認其處于安全狀態(tài)之后才能夠進行后續(xù)工作。保持錨桿眼當前所處位置精準，眼位誤差不能夠超出100 mm；保持錨索眼所處位置精準，眼位誤差不能夠超出100 mm；保持眼角度當前誤差不能夠超出15°。保持錨桿和錨索眼的深度與錨桿和錨索的長度一致，在打眼的過程中需要在釬子上標志，頂部錨桿眼深2.1 m，幫部錨桿眼深小于幫錨長度0.1 m，頂部錨索眼深度為5.8 m，同時一定要在前探梁的掩護下完成相關(guān)操作。在打好錨桿眼之后，需要快速清理眼中存在的巖渣和積水。打眼的順序為，從外朝里、先頂后幫。

4.2.3 安裝錨桿、錨索

4.2.3.1 安裝錨桿

在頂部打眼之后需要完成錨桿的安裝。按照要求的數(shù)量將樹脂錨固劑送進眼中，然后將錨桿插入錨桿眼中，使錨桿能夠?qū)渲^固劑頂住，使用專門的套筒錨桿機將錨桿螺帽卡緊，先提升錨桿機再把錨固劑添加到眼底，在外露錨桿保留1 m 左右的時候需要將錨桿機打開，使錨桿機能夠推動桿體旋轉(zhuǎn)并且把錨桿旋入到樹脂的錨固劑中，同時適當攪拌錨固劑，直到錨桿滿足設計的深度為止。攪拌30 s、等待60 s 后，打開錨桿機擰緊螺帽，使錨桿托盤與煤面保持貼合，為錨桿添加適當?shù)念A緊力，使頂部錨桿預緊力矩≥300 N·m。

幫部打眼之后集中安裝錨桿。安裝錨桿前，使用吹眼器吹掃幫部下俯的金屬錨桿眼孔中的積水和煤粉，吹眼時，操作人員一定要在孔口一側(cè)。在進行錨桿安裝時，需要先將規(guī)定數(shù)量的樹脂錨固劑放置在眼中，并將錨桿插入到錨桿眼中，頂住樹脂錨固劑，在錨桿的外露程度為1 m 左右時需要使用專用套筒幫部錨桿機將螺錨桿帽卡住，然后開啟幫部錨桿機，使錨桿機能夠推動桿體旋轉(zhuǎn)并且使錨桿能夠完成樹脂錨固劑的放置，同時攪拌錨固劑，直到錨桿被提升到設計深度，在攪拌20 s、等待40 s 后，需要啟動錨桿機擰緊螺帽使其能夠為錨桿添加預緊力，使幫部錨桿安裝預緊力矩≥300 N·m。

4.2.3.2 安裝錨索

安裝錨索前，應將眼孔內(nèi)的積水、煤、巖粉沖凈，把樹脂錨固劑慢慢送到眼底，將錨索插入到錨索眼中，使錨索能夠?qū)渲^固劑頂住，使用錨桿機將攪拌器卡緊，先開啟錨桿機上升閥，在錨索頂緊錨固劑時用錨桿機旋轉(zhuǎn)閥帶動桿體旋轉(zhuǎn)并且把錨索旋入到樹脂的錨固劑中，同時有效攪拌錨固劑，攪拌時間為30 s，使錨索能夠提升到設計的深度，在錨索保持60 s的凝固之后，方能撤除錨桿機和攪拌器，等待15 min后，先安裝托盤，后安裝錨頭并用張拉機具壓緊錨索，預緊力為200 kN。

5 結(jié)語

從目前工作面的實際情況和巷道支護現(xiàn)狀來看，支護方式已經(jīng)基本滿足巷道圍巖控制的需要，具體采用哪種方式比較合理，需要結(jié)合具體地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件來綜合確定。