掘進工作面支護的設計及工藝研究

魏海軍

（山西汾西正善煤業公司，山西 孝義 032300）

引言

近些年，伴隨著開采深度的持續提升，巷道支護變得越發困難，原本選擇金屬支架進行產煤的國家在20 世紀末期開始選擇錨桿技術進行掘進支護[1]。綜合現階段巷道支護方式，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、聯合支護等方式。本文根據某礦2301 綜采工作面巷道支護設計研究確定對材料巷采用錨網索支護。

1 工作面基本情況

2301 工作面位于某礦井二采區南翼，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，屬簡單結構，煤層穩定。煤層頂底板情況如表1 所示。

表1 3 號煤層頂底板情況

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

整合相關經驗數據以及規定，針對跨度不足10 m的巷道和硐室，按照以下經驗公式確認系數。

2.1.1 經驗公式

錨桿長度

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

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定巖層的錨固長度，m；Lb為要求懸吊其不穩定的巖層厚度，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，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強度，樹脂錨固劑fc=10 MPa。代入數值計算得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（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，在與作業規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之后才能夠進行后續工作。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，使錨桿能夠將樹脂錨固劑頂住，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，為錨桿添加適當的預緊力，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。在進行錨桿安裝時，需要先將規定數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，使錨索能夠將樹脂錨固劑頂住，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閥帶動桿體旋轉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 結語

從目前工作面的實際情況和巷道支護現狀來看，支護方式已經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，需要結合具體地質條件和生產條件來綜合確定。