49419 工作面巷道掘進支護方案設計

李 強

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

1 49419 工作面工程概況

本次巷道掘進工程為49419 軌道巷、轉(zhuǎn)運巷。49419 工作面，北為實煤區(qū)，東鄰49417 工作面（設計），南鄰南四左翼回風巷，西鄰實煤區(qū)。巷道工程施工的目的是保證施工材料的運送，保證巷道正常通風，確保施工人員的通行。49419 工作面，地面上往西是大腦上村，往東是后西嶺村，西北是土圈頭村，西南是冀家溝風機房。工作面煤層頂板到地面的垂直厚度為123～308 m，平均厚度為215 m。49419 工作面，井下位置右側(cè)是南四采區(qū)。上覆8 號煤層已經(jīng)正式開采，開采的8 號煤層與9 號煤層間距2.4～3.9m，平均間距3.1 m。49419 工作面需要開采的9 號煤層巖塊有裂縫，煤層結(jié)構(gòu)簡單，部分煤層下部有大約0.2 m 厚的薄層頁巖或炭質(zhì)頁巖，煤層厚度相對統(tǒng)一，屬于中厚煤層。煤層特征及頂?shù)装迩闆r如表1、表2 所示。

表1 煤層特征情況

表2 煤層頂?shù)装迩闆r

2 巷道掘進過程可能存在的地質(zhì)問題

49419 工作面斷層、陷落柱、巖石存在裂縫，附近煤巖層松軟破碎；煤層巖石偽頂頁巖裂縫較多，容易破碎發(fā)生巖石冒落，煤層巖石直接頂為細粒砂巖，局部地段巖石裂縫較多，容易破碎發(fā)生巖石冒落；在巷道施工中（特別是面臨巖石斷層、陷落柱等地質(zhì)情況時），要有安全意識，及時采取行動，加強煤層安全管理，保證正常施工。49419 工作面施工時如果發(fā)生降雨，會影響巷道掘進施工的安全性，在施工前要提前購買排水量超過50 m3/h 的排水設備，掘進期間避免出現(xiàn)排水困難問題。要及時跟進工作面并確保排水系統(tǒng)隨時能夠正常排水[1-2]。

3 49419 巷道布置及施工順序

利用原48502 轉(zhuǎn)運巷8 號煤層巷道，在轉(zhuǎn)運巷前段138 m 處原巷道基礎上，以10°下山拉底35 m進入9 號煤層，之后跟9 號煤層頂板掘進58 m。

軌道巷在轉(zhuǎn)運巷末端開口，以345°方位角，沿9 號煤層頂板掘進553 m。

4 49419 巷道支護設計

軌道巷、轉(zhuǎn)運巷為回采期間運料、進風、行人巷道，結(jié)合工作面回采經(jīng)驗，架棚巷道選用梯形斷面，上凈寬3.1 m、下凈寬4.4 m，高度3.2 m。

4.1 巷道上寬

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，巷道從挖掘殘渣開始算起的1.6 m 高度以內(nèi)，需要留有寬1.0 m 以上的行人通道。與此同時，另一側(cè)巷道路上必須留有0.5 m 的安全距離，所以軌道巷寬度的計算公式如下：

式中：B 為軌道巷的寬度；By為運輸中移動變壓器最大寬度，取1.5 m；Bx為人行道寬度，取1.0 m；c 為安全距離，取0.5 m；b 為巷道預計變形量，取0.1 m。

代入數(shù)據(jù)計算得軌道巷的寬度為3.1 m。

故軌道巷上凈寬3.1 m，可以滿足運料、進風、行人的要求。

4.2 巷道高度

以通過最高設備運輸液壓支架為依據(jù)進行計算:

式中：H 為巷道的凈高度；h設為液壓支架的高度（包括平板車），2.3 m；a 為軌道、軌枕的高度，0.3 m；S 為安全間隙，取0.2 m；b 為巷道預計變形量，取0.3 m。

代入數(shù)據(jù)計算得巷道的凈高度為3.1 m。

故軌道巷高度3.2 m 可以滿足運料、進風、行人的要求。

4.3 巷道下寬

根據(jù)《煤礦安全質(zhì)量標準化標準》規(guī)定，棚腿的岔腳一般為棚腿長度的1/4～1/5。工作面棚腿為3.4 m工字鋼，柱窩為0.15 m，棚腿外露長3.25 m，棚腿岔腳長為0.65～0.81 m，取0.65 m。

式中：B下寬為軌道巷的下寬；B上寬為軌道巷的上寬，取3.1 m。

代入數(shù)據(jù)計算得軌道巷的下寬為4.4 m。

故軌道巷下凈寬4.4 m，可以滿足運煤、回風、行人的要求。

5 49419 巷道支護工藝

5.1 臨時支護

巷道臨時支護采用兩根11 號礦用工字鋼作前探梁支護，工字鋼長度為5.0 m，采用卡梁式懸吊器吊掛前探梁。每根前探梁確保3 處得到懸掛，前探梁之間的間隔距離為2.2 m，并移至掌子面。栽棚腿正前空頂采用3.0 m、寬0.2 m、厚0.05 m 架板與前探梁接頂，用木楔背緊背牢。循環(huán)長度為1.6 m，與頂板距離最大為2.0 m、最小為0.4 m，鐵棚之間間隔距離為0.8 m。

5.2 永久支護形式及規(guī)格

5.2.1 架棚巷道支護參數(shù)

49419 工作面永久支護采用鐵棚支護，鐵棚棚梁長為3.4 m，棚腿長為3.4 m，所用材料均為11 號礦用工字鋼，鐵棚之間間隔距離為0.8 m，構(gòu)頂、攀幫、撐木共需16 根。

5.2.2 支護質(zhì)量要求

1）構(gòu)頂：破板壓梁頭，6 根破板均勻排列，前后兩架破板要交錯布置，并用木楔進行固定。木楔固定時需要同方向進行，并且不能出現(xiàn)重復，采用長2.0 m的成品破板。

2）攀幫：每幫需要攀幫三道，需要緊緊貼住棚口，然后每隔1.0 m 攀一道攀幫，用木楔固定。

3）撐木：分別打在棚梁梁頭、槽內(nèi)、位置距棚梁1.0 m 處，撐木選擇長度為80 cm、寬度7 cm、厚度5 cm 的成品撐木，撐木需要保持一條直線。

4）頂網(wǎng)：由于該煤層頂板節(jié)理發(fā)育不穩(wěn)定，施工中頂板鋪頂網(wǎng)。頂網(wǎng)必須保持平展。將頂網(wǎng)拉至棚梁梁頭，用鐵絲拴在梁耳處，頂網(wǎng)規(guī)格1.8 m×2.0 m，聯(lián)網(wǎng)距為20 cm，搭接距10 cm，需要將網(wǎng)針擰到超過兩圈半。

5）支護中棚腿岔角超過10°，棚腿必須有10 cm柱窩，棚腿支設在實底上，要確保支設牢固。

6）超挖處攀幫構(gòu)頂需用圓木或破板等背嚴。

7）巷道掘進過程中，棚腿需要設置迎山角，角度大概達到巷道坡度的1/5。

8）皮帶頭備用10 架架棚支護材料。

5.3 支護材料規(guī)格（見表3）

表3 支護材料規(guī)格表 mm

5.4 支護設計參數(shù)驗算

棚距為0.8 m。

5.4.1 頂梁按簡支壓彎構(gòu)件計算

式中：Mmax，b為頂板載荷作用在棚梁上的最大彎矩，kN·m，其計算公式見式（5）；N1為棚腿給予棚梁的軸向力，kN/m，其計算公式見式（6）；Fb為工字鋼頂梁橫截面積，33.18 cm2取0.003 318 m2；φ 為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)構(gòu)件的長細比查表φ=0.795；Wb為工字鋼抗彎截面模量，113.4 cm3取0.000 113 4 m3；σ0，b為取11 號工字鋼材料極限抗壓強度，510 MPa。

式中：γ 為巷道頂板巖石容重，取24.5 kN/m3；h2為巷道冒落高度，根據(jù)經(jīng)驗取1.5 m；L 為棚距取0.8 m；l1為棚梁長度3.4 m。

式中：q2為棚腿所受的側(cè)壓均勻集度，kN/m2，其計算公式見式（7）；l2為棚腿長度，取3.4 m；α 為棚腿岔角，取80°。

式中：h1為巷道高度，取3.4 m；β 為煤層內(nèi)摩擦角，；σcc為煤層抗壓強度，取12 MPa。

所以棚距≤0.8 m，棚梁強度滿足要求。

5.4.2 棚腿按簡支壓彎構(gòu)件計算

式中：Mmax，c為巷幫載荷作用在棚梁上的最大彎矩，kN·m，其計算公式見式（9）；Wc為工字鋼抗彎截面模量，113.4 cm3，即0.000 113 4 m3；Fc為工字鋼棚腿橫截面積，23.2 cm2，即0.002 32 m2；N2為棚梁給予棚腿的軸向力，kN，其計算公式見式（10）；σ0，c為11 號工字鋼材料極限抗壓強度，510 MPa。

所以棚距≤0.8 m，棚腿強度滿足要求。

6 結(jié)語

隨著煤礦資源的不斷減少，煤礦開采形勢日益嚴峻，巷道施工設計安全高效的具體支護方案是煤礦開采必須解決的難題。本文通過分析49419 工作面巷道施工具體情況和地質(zhì)條件，通過理論計算設計架棚巷道的關(guān)鍵支護參數(shù)，使支護設計滿足巷道施工需求，保證巷道施工的穩(wěn)定性，同時為類似巷道支護設計提供參考。