郝激文

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

在巷道掘進(jìn)的過程中，科學(xué)的支護(hù)設(shè)計是施工人員生命安全和施工項目順利進(jìn)行的重要保障。在煤礦巷道施工過程中，隨著采掘深度的增加，礦區(qū)巷道中地質(zhì)構(gòu)造、巖石承壓環(huán)境愈加復(fù)雜，無形之中便增加了煤礦施工難度，對采掘技術(shù)要求也越來越高，在保證正常施工效率的同時并確保施工過程的安全有序進(jìn)行，已經(jīng)成為煤礦開采工作的重中之重[1]。因為在煤礦巷道施工的過程中，巷道巖石不僅要承受內(nèi)部巖石之間的壓力，還要承受外部施工環(huán)境所帶來的壓力[2-3]，為了避免巷道巖石因為壓力過大而發(fā)生破碎、變形等安全問題，需要對巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計。設(shè)計合理的巷道支護(hù)方案，不僅可以提高巷道工作的施工效率，保障施工人員的生命安全，還有利于煤礦開采工作的順利進(jìn)行和良性發(fā)展，同時也為類似工作面回風(fēng)順槽施工過程的支護(hù)設(shè)計提供積極參考。

1 工程概況

48702 回風(fēng)順槽布置在工作面的西側(cè)，與北七右翼回風(fēng)巷平交、與北七右翼單軌吊巷連通。該回風(fēng)順槽主要供回采期間的回風(fēng)及行人使用。

1.1 井上位置

48702 工作面地表位于馬矢山村（已搬遷）東側(cè)、隨老母斷層南側(cè)、婁煩灘風(fēng)機房西側(cè)；地表為溝，呈“Y”字形，也有山谷地形，溝谷縱橫，有一條大河自南而過，流經(jīng)工作面中部地區(qū)和北部地區(qū)；80-9煤田鉆孔位于工作面內(nèi)的距回風(fēng)順槽60 m 位置處。工作面煤層頂板到地面的垂直厚度為227～420 m，平均厚度為323 m 左右。

1.2 井下位置

48702 工作面井下位置東部為北七采區(qū)，西部為實煤區(qū)，南部靠近北七右翼集中巷道，北部靠近隨老母斷層，間距為24～70 m；同時48702 工作面東部靠近48706 工作面（已形成），兩個工作面之間的間距為25 m。

1.3 施工情況

48702 回風(fēng)順槽在北七右翼單軌吊巷13 號測點后27 m 處（A 點）開口，先按345°方位角掘進(jìn)27 m與北七右翼回風(fēng)巷貫通（B 點），貫通后從B 點繼續(xù)向前掘進(jìn)28 m（C 點），再從C 點向前掘進(jìn)10 m 到回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷開口位置（D 點），然后從D 點以45°角開口掘進(jìn)45 m 后，與北七右翼回風(fēng)巷貫通（E 點）。貫通后退掘進(jìn)機至D 點，從D 點沿8 號煤頂板繼續(xù)向正前掘進(jìn)121 m 至設(shè)計停采線，過設(shè)計停采線后拖夾石掘進(jìn)1 337 m，在距切眼60 m 處時，再沿8 號煤頂板掘進(jìn)至切眼位置（F 點）。巷道與北七右翼回風(fēng)巷平交、與北七右翼單軌吊巷連通，預(yù)計巷道坡度≤8°。

2 礦壓監(jiān)測

在礦壓監(jiān)測過程中，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，應(yīng)及時采取措施，增強支護(hù)，修改設(shè)計：巷道兩幫超過規(guī)定，即巷道寬度低于設(shè)計值300 mm；錨桿體發(fā)生被拉斷現(xiàn)象；錨桿托盤、棚梁、棚腿被擠壓變形超過300 mm；巷道圍巖發(fā)生較大變化。礦壓監(jiān)測具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 監(jiān)測內(nèi)容詳細(xì)表

3 支護(hù)設(shè)計

回風(fēng)順槽掘進(jìn)時采用托夾石的掘進(jìn)方式，結(jié)合礦區(qū)工作面回采經(jīng)驗，掘進(jìn)時選用矩形斷面，寬度為4.0 m，高度為3.4 m?；仫L(fēng)順槽作為回風(fēng)、行人的巷道。

3.1 回風(fēng)順槽斷面設(shè)計

3.1.1 寬度確定

以掘進(jìn)設(shè)備計算回風(fēng)順槽斷面的寬度，計算公式為：

式中：B 為巷道的寬度；Bb為掘進(jìn)機鏟板寬，取2.9 m；C1為安全間隙，取0.5 m；C2為安全間隙，取0.5 m。

將數(shù)值帶入公式得B=3.9 m，因此巷道寬度取4.0 m 即可滿足運煤、運料的要求。

3.1.2 高度確定

夾石下煤層最大煤厚為3.42 m，由此確定巷道高度為3.4 m，設(shè)計合理。

3.2 按最小斷面風(fēng)速進(jìn)行驗算

按最小斷面風(fēng)速進(jìn)行驗算的公式為：

式中：Q巷為局部通風(fēng)機對風(fēng)的實際吸收量，取600 m3/min；v巷為回風(fēng)順槽風(fēng)速，m/min；S掘為掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)斷面積，m2。

代入數(shù)據(jù)計算得v巷=0.73 m/s。

煤安規(guī)程中規(guī)定掘進(jìn)工作面允許風(fēng)速為0.25～4 m/s，由于v巷在此區(qū)間，故巷道斷面設(shè)計合理。

3.3 錨桿和錨索相關(guān)參數(shù)設(shè)計

3.3.1 錨桿長度的設(shè)計

3.3.1.1 頂錨桿長度確定

因為頂板破壞高度b 在0.3～1.5 m 之間，所以按下列方法確定支護(hù)參數(shù)。

式中：Lbr為頂錨桿的長度；Δ 為錨桿外露長度與錨固段長度之和，錨桿外露長度取0.1 m，錨入穩(wěn)定巖層的固段長度取0.8 m。

根據(jù)計算及相鄰工作面施工經(jīng)驗，確定頂錨桿長度取2.4 m。

3.3.1.2 幫錨桿長度確定

由于頂板破壞高度c 在0.3～1.5 m 之間，按下述方法確定支護(hù)參數(shù)。

式中：Lcr為幫錨桿的長度；Δ 為錨桿外露長度與錨固段長度之和，錨桿外露長度取0.1 m，錨入穩(wěn)定巖層的固段長度取1.1 m。

根據(jù)計算及相鄰工作面施工經(jīng)驗，確定幫錨桿長度取1.8 m。

3.3.2 錨桿參數(shù)計算

頂錨桿選用MSGLW-335/20×2400 型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，幫錨桿選用MSGLW-335/20×1800 型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，根據(jù)錨桿的設(shè)計錨固力，頂錨桿設(shè)計錨固力90 kN，幫錨桿設(shè)計錨固力50 kN，計算支護(hù)強度。

3.3.2.1 錨桿桿體直徑計算

錨桿桿體直徑d 根據(jù)桿體承載力與錨固力等強度原則驗算。

式中：d 為錨桿桿體直徑，mm；Q 為錨桿錨固力，取90 kN；σt為桿體材料抗拉強度，取490 MPa。

將數(shù)據(jù)代入上式得d=15.22 mm，取20 mm。

3.3.2.2 頂錨桿排距計算

頂錨桿排距Dr計算公式為：

式中：Dr為頂錨桿排距，m；Pr為頂錨桿設(shè)計錨固力，取90 kN；K 為安全系數(shù)，取1；Qr為頂板載荷集度，取197 kN/m。

代入數(shù)據(jù)得Dr=1.36 m。

根據(jù)以上計算及頂錨桿使用的經(jīng)驗，回風(fēng)順槽托夾石掘進(jìn)時頂錨桿排距取1.0 m，能滿足支護(hù)的要求。

3.3.3 錨索間排距的確定

為加強頂板支護(hù)，回風(fēng)順槽托夾石支護(hù)時頂板打設(shè)錨索，使用Φ17.8 mm×5 400 mm 的鋼絞線，間排距計算公式為：

式中：L 為錨索的排距；B 為巷道最大冒落寬度，取4.0 m；H 為潛在冒落高度，取2.0 m；γ 為巖體的容重，取25 kN/m；L1為錨桿排距，取1.0 m；F1為錨桿設(shè)計錨固力，取50 kN；F2為錨索設(shè)計錨固力，取200 kN；θ 為角錨桿與巷道的夾角，取75°；n 為每排錨索數(shù)量，取2 根。

代入數(shù)據(jù)計算得L=3.8 m。該面錨索間排距為2.0 m×2.0 m，呈矩形布置，滿足支護(hù)要求。

3.3.4 錨索長度確定

錨索長度的計算公式為：

式中：L0為錨索的總長度；L1為錨索的深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，一般為1.5～2.0 m，取2.0 m；L2為潛在冒落高度，取2.0 m；L3為外露的長度，取0.25 m。

結(jié)合我礦實際情況，選取直徑Φ17.8 mm，長度為5.4 m 的錨索，可滿足支護(hù)要求。

4 臨時支護(hù)

4.1 臨時支護(hù)的目的

在施工過程中，為了避免因巖石壓力造成巷道頂板巖石破碎、脫落傷人事故的發(fā)生，需要對頂板進(jìn)行臨時的支護(hù)設(shè)計，頂板的臨時支護(hù)有利于保障施工人員的施工作業(yè)安全和生命健康安全，因此，在施工作業(yè)中需要注重頂板的臨時支護(hù)。

4.2 臨時支護(hù)的使用

在進(jìn)行施工前，升起載有臨時支護(hù)的裝置，將頂板固定，施工一段距離后，對完成施工的部分進(jìn)行錨桿永久支護(hù)，隨后進(jìn)入下一段支護(hù)位置，重復(fù)之前支護(hù)操作。

當(dāng)臨時支護(hù)設(shè)備發(fā)生故障時，在沿8 號煤頂板掘進(jìn)時采用2 根6.0 m 長的10 號礦用工字鋼和由鋼筋制備的護(hù)網(wǎng)作為臨時支護(hù)設(shè)備，同時工字鋼需要被專用吊環(huán)固定在錨桿上每完成一段臨時支護(hù)，將工字鋼移動到前方需要支護(hù)的位置，并用護(hù)網(wǎng)對頂部巖石進(jìn)行固定，然后進(jìn)行永久性支護(hù)。完成一段施工后，繼續(xù)向前重復(fù)同樣支護(hù)操作。

臨時支護(hù)的施工距離為3.0 m，對頂板的最大控制距離為3.4 m，最小控制距離為0.4 m。本次施工使用托夾石掘進(jìn)方式，根據(jù)經(jīng)驗，臨時支護(hù)的施工距離為2.0 m，對頂板的最大控制距離為2.4 m，最小控制距離為0.4 m。

5 結(jié)論

近兩年，煤礦巷道的發(fā)展面臨全新挑戰(zhàn)，巷道施工工作的順利進(jìn)行和施工人員的安全保護(hù)是巷道施工的重點工作。煤礦企業(yè)要想保證施工進(jìn)度，并避免安全事故的發(fā)生，就需要針對巷道的具體施工情況設(shè)計相應(yīng)的支護(hù)方案[4]。在施工前，提前進(jìn)行地質(zhì)勘探和煤礦礦壓監(jiān)測，設(shè)計好相應(yīng)的巷道支護(hù)方案，對可能發(fā)生意外的頂板進(jìn)行臨時支護(hù)設(shè)計，以此保證煤礦施工安全，實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化，從而助力企業(yè)的升級發(fā)展。