西銘礦49709工作面兩巷支護技術研究

于二強

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

隨著煤炭資源開采的逐年增加，首先需要開掘大量的巷道來維持工作面的正常生產需求[1]。巷道是工作面開采的首要任務，因此需對巷道圍巖穩定性進行研究，選擇合理的巷道支護方式對工作面的安全高效開采具有重要的意義[2]。因此，需對巷道掘進及工作面開采時巷內支護方式進行研究。張科[3]針對郭莊煤礦大斷面全煤巷道，分析了巷道圍巖破壞特征，優化了錨桿及錨索間距；王文才[4]采用FLAC3D及正交試驗法優化了巷道支護參數，取得了良好的效果。現針對西銘煤礦49709工作面兩巷進行支護技術研究。

1 工作面概況

49709工作面井下位于北七采區左翼，北鄰隨老母斷層，南鄰北七左翼回風巷，西鄰古交千峰精煤有限公司，東為48707采空區。該面上覆2號煤、8號煤已回采，9號煤與2號煤層間距95 m左右；9號煤與8號煤層間距1.50～3.30 m，平均2.31 m；3號煤不可采。該工作面所掘9號煤層裂隙發育，結構簡單，煤層局部夾0.5 m的頁巖或炭質頁巖，煤層傾角2°～15°，平均4°左右，煤層厚度2.70～3.90 m，平均3.40 m，厚度變化不大，為穩定的中厚煤層。工作面頂底板巖層巖性如表1所示。

2 巷道布置

軌道巷為回采期間進風和輔助運輸巷道，皮帶巷為回采期間運煤和回風的巷道，結合西銘礦工作面回采經驗，選用正梯形斷面，巷道上凈寬3.1 m，下凈寬4.2 m，高度3.2 m。

2.1 巷道寬度

根據《煤礦安全規程》第九十一條的規定，巷道從道渣面起1.6 m的高度，運輸巷一側必須留有寬1.0 m以上的人行道，另一側必須留有0.5 m的安全間隙，所以：

表1 工作面頂底板巖性

式中：B為軌道巷的寬度；BY為運輸中移變的寬度最大，取1.5 m；BX為人行道寬度，取1.0 m；C為安全間隙，取0.5 m。代入數據計算得B＝3.0 m。

2.2 巷道高度

以通過最高設備運輸液壓支架為依據計算巷道高度:

式中：H為巷道的凈高度；h設為液壓支架的高度，取2.3 m；a為軌道、軌枕的高度，取0.3 m；S為安全間隙，取0.2 m；b為巷道預計變形量，取0.2 m。代入數據計算得H＝3.0 m。

2.3 風速驗算

風速驗算按下式進行：

式中：Q軌為軌道巷設計配風量，取850 m3/min；V軌為軌道巷風速根據《煤礦安全規程》中采煤工作面及掘進煤巷允許風速為0.25～4 m/s；S掘為軌道巷斷面面積，取11.68m2。代入數值計算得V軌=1.21m/s＜4 m/s。由于 0.25 m/s＜1.21 m/s＜4 m/s，故巷道斷面設計合理。

3 巷道支護技術研究

3.1 軌道巷、皮帶巷支護形式

3.1.1 支護參數

采用鐵棚支護，棚梁長3.4 m，棚腿長3.4 m，均使用11號礦用工字鋼，棚距0.8 m，構頂×攀幫×撐木 =（6×6×4）根。

3.1.2 支護參數的驗算

1）工作面皮帶巷、軌道巷采用架棚支護，棚梁、棚腿均采用礦用11號工字鋼，梁長為3.4 m，腿長為3.4 m，棚距為0.8 m。

頂梁按簡支壓彎構件計算：

式中：Mmax，b為頂板載荷作用在棚梁上的最大彎矩，kN·m；γ為巷道頂板巖石容重，取24.5 kN/m3；h1為巷道冒落高度，根據經驗取1.7m；L為棚距，取0.8m；l1為棚梁長度，取3.4 m；l2為棚腿長度，取3.4 m；Wb為工字鋼抗彎截面模量，取0.000 113 4 m3；N1為棚腿給予棚梁的軸向彎矩；Fb為工字鋼橫截面積，取0.002 32 m2；α為棚腿叉角，取80°；q2為棚腿所受的側壓均勻集；取7 kN/m；φ為軸心受壓構件穩定系數，取0.237；σ0，b為11號工字鋼材料極限抗壓強度，取510 MPa。代入公式可得446 MPa＜510 MPa。所以棚距0.8 m，棚梁強度滿足要求。

2）棚腿按簡支壓彎構件計算：

式中：Mmax，c為巷幫載荷作用在棚梁上的最大彎矩，kN.m；σ0，b為11號工字鋼材料極限抗壓強度，取510 MPa；Wb為工字鋼抗彎截面模量，取0.000 113 4 m3；Fb為工字鋼橫截面積，取0.002 32 m2；φ為軸心受壓構件穩定系數，取0.237；N2為棚梁給予棚腿的軸向力，取 11.7 kN/m3。計算得到Mmax，c=111 MPa＜510 MPa，所以棚距0.8 m，棚腿強度滿足要求。

3.2 皮帶巷外返段支護形式

3.2.1 支護參數

頂板采用錨桿支護，選用MSGLW-335/20×1800型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿（Φ20 mm×1 800mm），花形布置，錨桿間排距1 800 mm×1 500 mm，每根頂錨桿裝MSCKb2360型藥卷1卷和MSK2380型藥卷1卷，戴成品托片一個。

兩幫采用MSGLW-335/20×1800型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿（Φ20 mm×1 800 mm）+菱形金屬網支護，錨桿間排距1 500 mm×1 200 mm，矩形布置，每根幫錨桿裝MSCKb2360型藥卷1卷和MSK2380型藥卷1卷，配成品井字托片和小片各一個，最上排錨桿距頂板300 mm。

3.2.2 參數驗算的支護

1）頂錨桿長度的確定：

式中：L為頂錨桿的長度；K為安全系數，取2；H為軟弱巖層厚度，取0.5 m；I為錨桿錨入堅固穩定巖層的深度，取0.5 m；T2為錨桿外露長度，取0.1 m。代入數值計算得L=1.6 m。根據計算及西銘礦8號煤錨桿使用的現場經驗，確定頂錨桿長度為1.8 m。

2）頂錨桿的直徑確定：

式中：d為頂錨桿的直徑；Q為錨桿的錨固力，取105 kN；δ為桿體抗拉強度，西銘礦現用20 mm螺紋鋼，取490 MPa。代入數值計算得d=16.44 mm。根據計算及巷道掘進經驗，確定頂錨桿直徑為20 mm。

3）頂錨桿間、排距的確定（8號煤層的直接頂為石灰巖，其普氏堅固性系數f=9）：

式中：a為錨桿的間距；Q為錨桿的錨固力，取105 kN；γ為巖體的容重，取24.5 t/m3；K為安全系數，取1.8；L2為軟弱巖層厚度，取0.5 m。代入數值計算得a=2.0 m。通過以上計算及西銘礦錨桿使用的經驗，皮帶巷外返段頂錨桿的間、排距確定為1.8m×1.5m，花形布置，能滿足支護的要求。

4）幫錨桿長度的確定:

式中：a1為片幫最大深度；h為掘進巷道錨桿支設高度，取3.6 m；δc為兩幫似內磨擦角，取65°。代入數值計算得a1=1.67 m。根據計算及相鄰采區巷道掘進經驗，幫錨桿長度確定為1.8 m。

5）幫錨桿間、排距的確定（根據兩幫側壓力計算確定）：

式中：qc為兩幫側壓力；rc為8號煤的容重，取1.38 t/m3；h為掘進巷道高度，取3.6 m；h0為錨桿錨入煤巷深度，取1.7 m；δc為兩幫似內磨擦角，取65°。代入數值計算得qc=0.85 t/m＜實際支護能力5.5 t/m。通過以上計算及西銘礦錨桿使用的現場實際經驗，幫錨桿的間排距確定為1.5 m×1.2 m，三排矩型布置，幫錨桿的設計錨固力為105 kN/根約10 t/根，實際支護密度為0.55根/m，實際支護能力為5.5 t/m，能滿足支護的要求。

4 支護效果分析

為研究以上方案參數的合理性及巷道圍巖的變形量，西銘礦49709工作面兩巷采用如上支護技術方案進行支護工作，在工作面回采期間，兩幫移近量穩定在134 mm，頂底板移近量穩定在102 mm，完全可以保證巷道的安全穩定，保障工作面的正常回采需求。

5 結論

1）結合西銘礦工作面回采經驗，選用正梯形斷面，巷道上凈寬3.1 m，下凈寬4.2 m，高度3.2 m。

2）軌道巷、皮帶巷常規段采用鐵棚支護，棚梁長3.4 m，棚腿長3.4 m，均使用11號礦用工字鋼，棚距0.8 m，構頂×攀幫×撐木為（6×6×4）根。

3）皮帶巷外返段選用MSGLW-335/20×1800型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，花形布置，錨桿間排距1 800 mm×1 500 mm，兩幫采用MSGLW-335/20×1800型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1 500 mm×1 200 mm，矩形布置。