掘進(jìn)工作面支護(hù)的設(shè)計(jì)及工藝研究

魏海軍

（山西汾西正善煤業(yè)公司，山西 孝義 032300）

引言

近些年，伴隨著開采深度的持續(xù)提升，巷道支護(hù)變得越發(fā)困難，原本選擇金屬支架進(jìn)行產(chǎn)煤的國家在20 世紀(jì)末期開始選擇錨桿技術(shù)進(jìn)行掘進(jìn)支護(hù)[1]。綜合現(xiàn)階段巷道支護(hù)方式，比較普遍采用的主要有錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、棚子支護(hù)、錨索支護(hù)、錨噴支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)等方式。本文根據(jù)某礦2301 綜采工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)研究確定對(duì)材料巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

1 工作面基本情況

2301 工作面位于某礦井二采區(qū)南翼，所采煤層為3 號(hào)煤，該工作面上覆2201 工作面（已采），北部為工業(yè)廣場保安煤柱，東部為2303 工作面3 號(hào)煤實(shí)體，上覆2203 工作面（已采），西部為一采區(qū)3 號(hào)煤實(shí)體，南至井田邊界。本工作面沿3 號(hào)煤層掘進(jìn)，煤層總厚度為1.10 m，屬簡單結(jié)構(gòu)，煤層穩(wěn)定。煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 3 號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r

2 支護(hù)計(jì)算說明

2301 材料巷正巷矩形斷面錨桿支護(hù)計(jì)算說明如下：

2.1 錨桿

整合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及規(guī)定，針對(duì)跨度不足10 m的巷道和硐室，按照以下經(jīng)驗(yàn)公式確認(rèn)系數(shù)。

2.1.1 經(jīng)驗(yàn)公式

錨桿長度

式中：W 為巷道或硐室寬度，4.2 m；N 為圍巖穩(wěn)固的影響系數(shù)，Ⅱ類圍巖（穩(wěn)定性較好）N=0.9，Ⅲ類圍巖（中等穩(wěn)定）N=1.0，Ⅳ類圍巖（穩(wěn)定性較差）N=1.1，Ⅴ類圍巖（不穩(wěn)定，包括煤）N=1.2；dz為巖石節(jié)理之間的距離。

2.1.2 計(jì)算

N=1.2（Ⅴ類圍巖），W=4.2 m，dz=0.35 m。

則Lg=1.2×（0.9+4.2/10）=1.584 m。Lg>2×0.35=0.7 m，取Lg=2 200 mm，dg=Lg/100=2 200/100=22 mm，取dg=22 mm。

D≤0.5×2.2=1.1 m，取間距D=950 mm。

G<3×0.35=1.05 m，取排距G=1 000 mm。

按照上述計(jì)算，矩形斷面頂板需要選擇型號(hào)為Φ22 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿之間的間距為950 mm、排距為1 000 mm，符合要求。

2.2 W 鋼帶

2301 材料巷正巷采用WX-300-4.5×3950mm的W 鋼帶。

2.3 錨索

式中：Ls為錨索整體長度，m；La為錨索深入至一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；Lb為要求懸吊其不穩(wěn)定的巖層厚度，取4 350 mm；Lc為托板及錨具的厚度，取65 mm；Ld為外露的張拉長度，取300 mm。

式（6）中La的計(jì)算公式為：

式（7）中：k 為安全系數(shù)，k=1.5；ds為錨索鋼絞線直徑，取21.8 mm；fa為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，取1 860 MPa；fc為錨索和錨固劑的設(shè)計(jì)黏結(jié)強(qiáng)度，樹脂錨固劑fc=10 MPa。代入數(shù)值計(jì)算得La≥1.5×21.8×1 860/（4×10）=1 520.55 mm。

故Ls=1520.55+4 350+65+300=5 885.55 mm，選用Φ21.8 mm×6 000 mm的鋼絞線錨索，符合要求。

根據(jù)錨索支護(hù)間排距≤L/2 公式計(jì)算：

錨索支護(hù)間排距≤6 000 mm/2，故錨索支護(hù)間距取1 500 mm，排距取2 000 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

3 斷面支護(hù)參數(shù)（見表2）

表2 2301 材料巷矩形斷面每米材料消耗量表

4 支護(hù)工藝

4.1 支護(hù)材料（見表3）

表3 支護(hù)材料明細(xì)表

4.2 錨桿、錨索安裝工藝

4.2.1 選擇鉆具

1）頂部錨桿眼鉆具：MQT-130/3.0 錨桿鉆機(jī)配合B19 mm×1 000 mm、B19 mm×1 200 mm 鉆桿、Φ30 mm 金剛石鉆頭進(jìn)行施工。

2）兩幫煤層中錨桿眼鉆具：采用ZQHS-35/2.2型氣動(dòng)手持式鉆機(jī)，配合2.2 m 長麻花鉆桿、Φ30 mm Y型鉆頭打錨桿眼。

3）錨索眼鉆具：MQT-130/3.0 錨桿鉆機(jī)配合B19 mm×1 000 mm、B19 mm×1 200 mm 鉆桿、Φ30 mm金剛石鉆頭進(jìn)行施工。

4.2.2 打錨桿、錨索眼

打眼之前，需要依照中線對(duì)巷道斷面尺寸進(jìn)行檢查，在與作業(yè)規(guī)程要求相悖時(shí)需要對(duì)其給予事先處置，并且需要敲幫問頂尋找迎頭，仔細(xì)對(duì)頂幫和迎頭圍巖當(dāng)前的情況進(jìn)行檢查，去除活矸和危巖，在確認(rèn)其處于安全狀態(tài)之后才能夠進(jìn)行后續(xù)工作。保持錨桿眼當(dāng)前所處位置精準(zhǔn)，眼位誤差不能夠超出100 mm；保持錨索眼所處位置精準(zhǔn)，眼位誤差不能夠超出100 mm；保持眼角度當(dāng)前誤差不能夠超出15°。保持錨桿和錨索眼的深度與錨桿和錨索的長度一致，在打眼的過程中需要在釬子上標(biāo)志，頂部錨桿眼深2.1 m，幫部錨桿眼深小于幫錨長度0.1 m，頂部錨索眼深度為5.8 m，同時(shí)一定要在前探梁的掩護(hù)下完成相關(guān)操作。在打好錨桿眼之后，需要快速清理眼中存在的巖渣和積水。打眼的順序?yàn)椋瑥耐獬?、先頂后幫?/p>

4.2.3 安裝錨桿、錨索

4.2.3.1 安裝錨桿

在頂部打眼之后需要完成錨桿的安裝。按照要求的數(shù)量將樹脂錨固劑送進(jìn)眼中，然后將錨桿插入錨桿眼中，使錨桿能夠?qū)渲^固劑頂住，使用專門的套筒錨桿機(jī)將錨桿螺帽卡緊，先提升錨桿機(jī)再把錨固劑添加到眼底，在外露錨桿保留1 m 左右的時(shí)候需要將錨桿機(jī)打開，使錨桿機(jī)能夠推動(dòng)桿體旋轉(zhuǎn)并且把錨桿旋入到樹脂的錨固劑中，同時(shí)適當(dāng)攪拌錨固劑，直到錨桿滿足設(shè)計(jì)的深度為止。攪拌30 s、等待60 s 后，打開錨桿機(jī)擰緊螺帽，使錨桿托盤與煤面保持貼合，為錨桿添加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，使頂部錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m。

幫部打眼之后集中安裝錨桿。安裝錨桿前，使用吹眼器吹掃幫部下俯的金屬錨桿眼孔中的積水和煤粉，吹眼時(shí)，操作人員一定要在孔口一側(cè)。在進(jìn)行錨桿安裝時(shí)，需要先將規(guī)定數(shù)量的樹脂錨固劑放置在眼中，并將錨桿插入到錨桿眼中，頂住樹脂錨固劑，在錨桿的外露程度為1 m 左右時(shí)需要使用專用套筒幫部錨桿機(jī)將螺錨桿帽卡住，然后開啟幫部錨桿機(jī)，使錨桿機(jī)能夠推動(dòng)桿體旋轉(zhuǎn)并且使錨桿能夠完成樹脂錨固劑的放置，同時(shí)攪拌錨固劑，直到錨桿被提升到設(shè)計(jì)深度，在攪拌20 s、等待40 s 后，需要啟動(dòng)錨桿機(jī)擰緊螺帽使其能夠?yàn)殄^桿添加預(yù)緊力，使幫部錨桿安裝預(yù)緊力矩≥300 N·m。

4.2.3.2 安裝錨索

安裝錨索前，應(yīng)將眼孔內(nèi)的積水、煤、巖粉沖凈，把樹脂錨固劑慢慢送到眼底，將錨索插入到錨索眼中，使錨索能夠?qū)渲^固劑頂住，使用錨桿機(jī)將攪拌器卡緊，先開啟錨桿機(jī)上升閥，在錨索頂緊錨固劑時(shí)用錨桿機(jī)旋轉(zhuǎn)閥帶動(dòng)桿體旋轉(zhuǎn)并且把錨索旋入到樹脂的錨固劑中，同時(shí)有效攪拌錨固劑，攪拌時(shí)間為30 s，使錨索能夠提升到設(shè)計(jì)的深度，在錨索保持60 s的凝固之后，方能撤除錨桿機(jī)和攪拌器，等待15 min后，先安裝托盤，后安裝錨頭并用張拉機(jī)具壓緊錨索，預(yù)緊力為200 kN。

5 結(jié)語

從目前工作面的實(shí)際情況和巷道支護(hù)現(xiàn)狀來看，支護(hù)方式已經(jīng)基本滿足巷道圍巖控制的需要，具體采用哪種方式比較合理，需要結(jié)合具體地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件來綜合確定。