煤礦大斷面巷道掘進支護技術的設計與應用

王志誠

（陜西陜煤曹家灘礦業公司， 陜西 榆林 718600）

1 掘進工作面地質條件簡介

122110 工作面高+960～+995 m，覆蓋層厚度290～327 m，主輔運里程在1 554～3 189 m 范圍內2-2 煤層分叉，分為2-2 上煤和2-2 煤，掘進期間不受影響。本工作面內無巖漿巖及較大的褶皺構造，但煤層沿走向或傾向方向有小型起伏，對巷道施工影響不大。122110 輔運順槽長度5 978 m，寬6.5 m、高4.55 m，巷道斷面29.58 m2，井下切眼位于馬大灘行政村五隊東北部。井下工作面西部是為整個礦井服務的四條大巷，東臨近井田邊界煤柱，南部為122112 工作面（設計），北部是122108 回采工作面。老頂巖性中粒砂巖、厚度1.4～18.6 m。直接頂巖性細粒砂巖、厚度10.2～28.2 m。直接巖性粉砂巖、厚度2.6～12.7 m。老底巖性細粒砂巖、厚度2.2～5.6 m。

2 支護設計

2.1 巷道支護形式確定

根據巷道圍巖性質及曹家灘煤礦礦壓觀測資料分析，結合曹家灘煤礦12 盤區內鉆孔的分析，122110輔運順槽適合錨桿支護。根據實際的支護經驗，確定巷道支護形式為：110 輔運順槽頂板采用“鋼筋網＋左旋無縱筋螺紋鋼錨桿＋錨索”聯合支護[1-3]，回采側采用“塑料網+玻璃鋼錨桿”聯合支護[4-5]，煤柱側采用“鋼筋網+左旋螺紋鋼錨桿”聯合支護。

2.2 支護參數設計

1）煤柱幫支護：左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+鋼筋網。

錨桿規格Φ22×2.4 m 左旋無縱筋335 號螺紋鋼筋，桿尾螺紋為M22、長度150 mm，配高強度螺母。錨桿設計間排距為1 m×1 m，每排4 根錨桿，最上部錨桿帶15°仰角施工，最下部錨桿帶15°俯角施工，其余錨桿垂直巖面施工，錨桿孔深2 100 mm。錨固劑采用MSCK2380 型，錨桿扭矩不小于150 N·m、錨固力不小于100 kN。鋼筋網片為3.8 m×1.1 m 的鋼筋網，網片搭接寬度100 mm。

2）回采幫支護：玻璃鋼錨桿+塑鋼網。

錨桿規格Φ27 mm×2.4 m 高強度玻璃鋼錨桿，托盤直徑170 mm、厚度15 mm，錨桿扭矩不小于50 N·m、錨固力不小于85 kN。其余參數與煤柱幫支護錨桿相同。網片規格為3 600 mm×2 200 mm 的JDPP30×30MS塑料網，網片搭接寬度100mm，幫部塑料網內不含鋼絲。

3）頂板支護：左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+鋼筋網。

頂板支護錨桿規格與煤柱幫支護錨桿規格相同，錨桿間排距為1.2 m×1.0 m，每排6 根錨桿，錨桿托盤采用圓型鋼托盤，規格Φ150 mm×6 mm。鋼筋網片為3.3 m×1.1 m 的鋼筋網，網片搭接寬度100 mm。

錨索形式與規格：頂部用Φ17.8 mm×6.5 m 的鋼絞線，錨索孔深6 200 mm，網度為2.4 m×3.0 m，為滿足錨索錨固力＞200 kN、預緊力＞150 kN 的支護要求，需采用2 節MSCK2380 型樹脂藥卷固定安裝。

2.3 采用計算法校核支護參數

2.3.1 頂錨桿長度計算（懸吊理論）

式中：L 為錨桿長度，m；H 為冒落拱高度，m；K 為安全系數，1.5；L1為錨固段長度，取0.6 m；L2為錨桿外露長度，＜0.05 m。

式中：B 為巷道開掘寬度，本工作面巷道設計寬度為6.5 m；f 為懸吊巖層硬度系數，取2.85；則H=1.14。

計算得L≥2.36 m。故選用Φ22×2.4 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿滿足要求。

2.3.2 頂錨桿間、排距計算

式中：A 為懸吊面積，m2；Q 為設計錨固力，100 kN；H為冒落拱高度，取0.55 m；R 為懸吊層重力載荷，取25 kN/m3；K 為安全系數，取K＝2。

計算得A=3.63 m2，即每根錨桿最大支護面積為3.63 m2，錨桿設計間排1.2 m×1.0 m，每根錨桿實際最大支護面積為0.9 m2，滿足支護密度要求。

2.4 采用計算法校核幫部支護參數

2.4.1 幫錨桿長度計算（松動圈理論）

根據松動圈理論，錨桿長度應滿足：

式中：L1為錨桿外露長度，＜0.05 m；L2為取煤幫破碎深度，取1.050 7 m；L3為錨固段長度，0.6 m。則L≥0.05+1.050 7+0.6=1.700 7 m。

因此，選用Φ22×2.4 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿滿足要求。

2.4.2 錨桿直徑

按錨桿承載力與錨固力強度相等計算，即：

式中：D 為錨桿直徑，m；c 為取煤幫破碎深度，m；Q 為錨桿抗拔力，取100 kN（換算為15 MPa）；σ 為桿體材料的許用強度，取420MPa；代入參數計算得D＝0.015 6 m。

因此，幫錨桿直徑應不小于15.6 mm，實際選用錨桿直徑Φ22 mm，符合要求。

2.4.3 錨桿間、排距

錨桿間排距按下式計算：

式中：a 為錨桿間排距，m；Q 為錨桿抗拔力，100 kN；γ 為不穩定煤幫重力載荷，取14 kN/m3；L2為錨桿有效長度，取0.826 m；K 安全系數，取1.1。

經計算：a＜2 m。頂錨桿實際間距1.2 m×1.0 m，幫錨桿實際間距1.0 m×1.0 m，能夠滿足要求。

2.5 錨索間排距設計

2.5.1 計算每排需要的錨索根數

式中：PV為錨索懸吊的載荷；k 為安全系數，取2（一次采動巷道）；Rt為錨索的承載力，取35.8 t；a 為掘進巷道半寬，取3.25 m；b 為側壓力時為滑動楔形上頂之半寬（巷高3.8 m=a+1.02，取4.27 m）；c 為錨索排距，取3 m；γ 為懸吊巖體容重，取1.34 t/m3。

計算得施工Φ17.8 mm×6 500 mm 錨索根數n≥1.25，錨索實際間距×排距=2 400 mm×3 000 mm，能夠滿足要求。

2.5.2 礦用錨索設計承載力計算

式中：Nt為礦用錨索設計承載力，N；m 為錨索張拉應力系數，取0.6；n 為鋼絞線根數，取值7；Sn為單根鋼絞線截面積，取46.08 mm2；Rm為鋼絞線抗拉強度，取1 860 MPa。

計算得Nt=360 kN，滿足要求。

2.5.3 礦用錨索設計初張力及破斷力

使用MQ18-250/53 型礦用錨索張拉機具預緊錨索，初張力按公式計算：

式中：P 為礦用錨索設計初張力，MPa；Nt為錨索設計承載力，取值200 kN；S 為錨索張拉機具油缸有效截面積，取值5 000 mm2。

計算得P=40 MPa，滿足要求。

2.6 校核結果

通過以上計算，所選支護參數能滿足122110 工作面輔運順槽掘進工作面支護要求。支護材料規格如表1 所示。

表1 支護材料規格一覽

3 支護施工工藝注意事項

3.1 掘錨機支護錨索

錨桿機鉆眼需注意根據巷道高度及錨索長度依次裝入合適長度的鉆桿，操縱鉆機旋轉閥及進給閥進行鉆眼。安裝錨索需注意將2 根MSCK3280 樹脂藥卷送至孔底并攪拌，攪拌時間8～12 s，等待時間控制在8～25 s。張拉錨索需注意待樹脂凝固后，人工上錨索托盤和錨索鎖具，一人將張拉泵頭與錨索外露端連接并扶住張拉泵頭，另一人張拉錨索，張拉完后松開張拉泵，并放回原處。

3.2 支護幫網及連網

將幫網與頂網先用連網絲固定，支護施工時利用鉆臂同時支護幫錨桿，將網片搭接處壓實。錨桿支護完成后，連接網片到最前面一片網的中間位置。

4 最小、最大空頂、空幫距離確定

頂錨桿距工作面最小空頂距為1.8 m（此距離為截割頭完全縮回后，鉆架到截割頭前端的最大距離），最大空頂距為2.8 m。頂網前端距工作面最小距離為0.8 m，最大距離為1.8 m。頂錨索距工作面最小空頂距為21.8 m，最大空頂距為22.8 m。兩側幫錨上部錨桿支護距迎頭最小為5.8 m，最大為6.8 m（掘錨一體機頂錨桿機與幫錨桿機間距為4 個排距），兩側幫錨下部錨桿永久支護滯后上部幫錨6 m。

5 結論

曹家灘煤礦設計并應用巷道快速掘進支護技術，通過技術數據驗算表明，選用的支護參數能夠滿足巷道支護要求，為巷道快速掘進技術實現單月進尺2 020 m 打下了基礎，保障了巷道安全順利施工，技術參數的驗算為同類巷道的支護參數的選擇提供設計依據。