高 帥

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西古交 030205）

1 工作面概況

12704 工作面位于南七采區(qū)左翼，措施巷里程0～10.6 m，31～192 m 上部間隔 3.5～4.3 m 為 10702和10704 的采空區(qū)；皮帶巷里程56～484 m 上部間隔3.5～4.3 m 為 10702 采空區(qū)。

圖1 12704 工作面位置圖

12704 工作面所采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2號(hào)煤層，屬較穩(wěn)定可采近水平中厚煤層。軌道巷Ⅰ段、Ⅱ切眼、軌道巷Ⅱ段0～152 m 為1 號(hào)與2 號(hào)煤分岔區(qū)，分岔區(qū) 1 號(hào)煤厚 0.40～0.55 m,平均 0.49 m，1 號(hào)和2 號(hào)煤夾矸0.55～0.75 m，平均0.62 m，2 號(hào)煤厚1.09～1.4 m，平均1.17 m；合并區(qū)2 號(hào)煤煤厚1.58～2.27 m，平均 1.91 m，煤層結(jié)構(gòu) 0.48（0.24）1.19。1、2 號(hào)煤普氏硬度2.5~3.0。2 號(hào)煤與上部02 號(hào)煤平均間隔2.1～4.3 m。工作面皮帶巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度487.441 m，軌道巷Ⅰ段182.94 m，軌道巷Ⅱ段217.43 m，Ⅰ切眼長(zhǎng)度145 m，Ⅱ切眼長(zhǎng)度50 m，如圖1 所示。

2 皮帶巷支護(hù)設(shè)計(jì)

錨桿支護(hù)涉及到的參數(shù)極多，其主要是確定其圍巖的破壞范圍，其具體的參數(shù)包括巷幫及頂板的破壞深度、巷幫及頂板的承受載荷等其他支護(hù)參數(shù)值。

2.1 巷道兩幫破壞深度C 的確定

式中：Kσ為圍巖的應(yīng)力系數(shù)，Kσ=Ks×Ka=2.3×0.933=2.147；Ks為圍巖應(yīng)力系數(shù)，該系數(shù)與工作面的巷道斷面狀態(tài)有關(guān)，一般選2.3；Ka為圍巖應(yīng)力系數(shù)，主要與附近的工作面采空區(qū)有關(guān)，該系數(shù)取0.933。

代入數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得出C=1.205 m

2.2 巷道頂板圍巖的影響范圍b 的確定

假設(shè)12704 工作面的頂板圍巖為均質(zhì)巖層，因此可以通過(guò)下式確定b 值：

式中：a為根據(jù)懸臂梁理論，其懸臂的半跨間距，取2.5 m；C為根據(jù)懸臂梁理論，工作面巷道幫部的影響范圍，1.205 m；Λ為工作面巷道的側(cè)壓系數(shù)，主要受水平應(yīng)力影響。

式中：Ky為12704 工作面頂板圍巖的完整系數(shù)，該系數(shù)主要受圍巖的節(jié)理裂隙、開(kāi)張度以及圍巖強(qiáng)度等因素影響，本次取0.553。

通過(guò)以上公式，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出：

2.3 頂板載荷集度Qr 的確定

頂板載荷集度：

2.4 工作面巷道巷幫影響強(qiáng)度Qs 的確定

12704 工作面的巷幫均為煤層時(shí)巷幫載荷集度：

2.5 12704 工作面頂板錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)

1）錨桿桿體直徑d。根據(jù)懸臂梁理論，桿體直徑與錨桿桿體的載荷與錨桿的錨固力的關(guān)系，確定錨桿桿體直徑。

式中：d為錨桿桿體直徑，mm；Q為錨固力，該力通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，直徑為20 mm 的錨桿錨固力為105 kN；σt為錨桿體的使用材料的抗拉強(qiáng)度，取340 MPa。

通過(guò)以上公式，代入數(shù)據(jù)得出：

因?yàn)轫敯迤茐母叨仍?.2～1.6 m 之間，所以按下列方法確定支護(hù)參數(shù)。

2）錨桿長(zhǎng)度Lbr。

Lbr＝b+△＝1.066+0.862＝1.928 m，取 2.0 m

式中：△為錨桿外露長(zhǎng)度與錨固段長(zhǎng)度之和，由下式確定：△=Lc+0.05=0.812+0.05=0.862；Lc為錨固段長(zhǎng)度；Lc×π×d×P1≥K2T;K2為錨固安全系數(shù)，考慮采動(dòng)影響，取3；P1為樹(shù)脂與錨桿粘結(jié)強(qiáng)度，取10 N/mm2；T為錨桿額定破斷載荷，取 170 kN；D為錨桿桿體直徑。

將以上數(shù)據(jù)代入公式:

Lc≥K2T/（π·d·p1）=3×170000/（π×20×10）=812mm

錨桿錨固段長(zhǎng)度取812mm，則需藥卷數(shù)量A 為：

根據(jù)臨近工作面巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及公司相關(guān)要求，錨桿采用全長(zhǎng)錨固，頂錨桿長(zhǎng)度為2.0 m，采用1 個(gè)MSK2360 型和1 個(gè)MSZ2380 型樹(shù)脂錨固劑錨固，先裝快速藥卷。

3）錨桿排距Dr：

式中：Dr為錨桿排距，m；Pr為錨 桿拉拔力 ，φ20mm 螺紋鋼錨桿105 kN；K為安全系數(shù)，取3。

4）每排錨桿根數(shù)N：

式中：N為錨桿個(gè)數(shù)，根；K為安全系數(shù)，取 3；Qr為頂板載荷集度，156.968 kN/m；Dr為錨桿排距，Dr=1.0 m；Pr為錨桿拉拔力，φ20 mm 螺紋鋼錨桿105 kN。取N＝6 根。

5）頂板支護(hù)形式的確定。根據(jù)以上計(jì)算，頂板采用6 根φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼全長(zhǎng)錨固樹(shù)脂錨桿支護(hù)，間排距900 mm×1 000 mm。巷道頂板支護(hù)形式確定為錨桿、W 鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

6）幫錨桿支護(hù)參數(shù)的確定。

Lbs=C+△=1.205+0.591=1.796 m，取 2.0 m。

式中：△為錨桿外露長(zhǎng)度與錨固段長(zhǎng)度之和，由下式確定：△=Lc+0.05=0.541+0.05=0.591；Lc為錨固段長(zhǎng)度。

Lc×π×d×P1≥K2T；K2為錨固安全系數(shù)，考慮采動(dòng)影響，取2；P1為樹(shù)脂與錨桿粘結(jié)強(qiáng)度，取10N/mm2；T為錨桿額定破斷載荷，取 170 kN；D為錨桿桿體直徑。

將以上數(shù)據(jù)代入公式:

Lc≥K2T/（π·d·p1）=2×170000/（π×20×10）=541mm

錨桿錨固段長(zhǎng)度取541mm，則需藥卷數(shù)量A為：

根據(jù)馬蘭礦臨近工作面巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及公司相關(guān)要求，錨桿采用全長(zhǎng)錨固，幫錨桿長(zhǎng)度為2.0 m，采用 1 個(gè) MSK2360 型和1 個(gè)MSZ2380 型樹(shù)脂錨固劑錨固，先裝快速藥卷。

錨桿桿體直徑d：

根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則確定。

式中：d為錨桿桿體直徑，mm；Q為錨固力，由拉拔試驗(yàn)確定直徑20 mm 螺紋鋼錨桿105 kN；σt為桿體材料抗拉強(qiáng)度，340 MPa。

將數(shù)據(jù)代入上式得：d=19.739 mm

因此，錨桿直徑選取20 mm。

錨桿排距Dr：

式中：DS為錨桿排距，m；PS為錨桿拉拔力，由拉拔試驗(yàn)確定直徑20 mm 螺紋鋼錨桿105 kN；K為安全系數(shù)，取5。

根據(jù)鄰近工作面巷道的承壓情況，為了有效防止兩幫煤層受壓破碎垮落，幫錨桿排距取1.0 m。

每排錨桿根數(shù):

式中：NS為錨桿個(gè)數(shù)，個(gè)；K為安全系數(shù)，取 5；QS為兩幫載荷集度，33.534 kN/m；DS為錨桿排距，Dr=1.0 m；PS為錨桿拉拔力，由拉拔試驗(yàn)確定105 kN。

因此，錨桿每排選取2 根。

根據(jù)以上計(jì)算，兩幫采用2 排φ20mm×2 000 mm 螺紋鋼全長(zhǎng)錨固樹(shù)脂錨桿支護(hù)，幫錨桿間排距1.0 m×1.0 m。巷道兩幫支護(hù)形式確定為錨桿、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

3 特殊情況下巷道支護(hù)

3.1 工作面的巷道開(kāi)口及交岔點(diǎn)支護(hù)

1）南七02#煤左翼集中皮帶巷及左翼集中軌道巷前后5m 范圍內(nèi)支護(hù)，所有失效錨桿全部補(bǔ)打，并補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)。

2）采用小循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)度0.8 m。

3）頂錨桿排距縮小為800 mm，錨索每排2 根，排距2.4 m。

4）為便于軌道運(yùn)輸，軌道巷開(kāi)口處需抹角，抹角規(guī)格2 000 mm×2 000 mm，皮帶巷開(kāi)口抹角規(guī)格3 000 mm×3 000 mm，抹角處按0.8 m 網(wǎng)度施工錨桿，按2 m×2 m 間排距施工錨索。

3.2 當(dāng)工作面遇到斷層或者破碎帶時(shí)的巷道支護(hù)

1）巷道頂板不完整破碎時(shí)，頂錨桿排距縮小為800 mm，錨索每排2 根，間距2.0 m。

2）采用小循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)度0.8 m。

3）頂幫破碎嚴(yán)重，上述支護(hù)不能滿足支護(hù)要求時(shí)，加套11 號(hào)工字鋼鐵棚，棚距1.0 m。

3.3 皮帶頭支護(hù)

1）為滿足設(shè)備要求，皮帶巷開(kāi)口20 m 范圍內(nèi)巷道寬度6.0 m。

2）頂錨桿間排距900 mm×800 mm。錨索每排3根，排距1.6 m，間距1.8 m。

3）底板硬化200 mm，兩幫加掛金屬菱形網(wǎng)支護(hù)，并噴砼形成不燃性支護(hù)。

3.4 其它硐室支護(hù)

抽采鉆場(chǎng)、油脂庫(kù)均采用“錨桿、W 鋼帶、金屬菱形網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)形式，頂錨桿選用φ20mm×2 000mm螺紋鋼錨桿；幫錨桿采用φ20mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿加金屬菱形網(wǎng)支護(hù)。油脂庫(kù)施工完畢后需噴砼形成不燃性支護(hù)。

4 礦壓監(jiān)測(cè)效果分析

12704 工作面在巷道處于掘進(jìn)期間時(shí)，在12704進(jìn)風(fēng)巷（皮帶巷）中每50 m 設(shè)置一處頂板離層儀、錨桿錨索測(cè)力計(jì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)巷道支護(hù)效果，并對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出12704 工作面的支護(hù)效果。

圖2 12704 皮帶巷位移變化圖

經(jīng)過(guò)1 個(gè)月的開(kāi)采，12704 工作面推進(jìn)至160 m，通過(guò)對(duì)工作面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，從圖2 中可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m 時(shí)，工作面回采超前支護(hù)段的頂板下沉量最大為52 mm。12704 工作面的兩幫移近量最大為94 mm，頂板下沉速度比兩幫的移近速度較慢；當(dāng)開(kāi)采至40 m 以后，工作面的頂板下沉量與兩幫移近量的變化速度較??；當(dāng)12704 工作面開(kāi)采至50、90、140m 時(shí)，工作面巷道頂板下沉量與兩幫移近量的變化范圍變小，這很好的說(shuō)明了巷道支護(hù)對(duì)巷道的完整性發(fā)揮了極大的效果，在回采巷道的超前段巷道圍巖破壞的速度也在變慢，從圖中可以看出，巷道兩幫的破壞范圍變大，兩幫移近量最大能達(dá)到165 mm，頂板的下沉量最大能達(dá)到68 mm，因此，巷道圍巖影響較小，能夠很好的滿足工作面的安全生產(chǎn)需要。