48712 工作面巷道支護的設計與應用

劉 威

（西山煤電集團股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

1 瓦斯治理巷工程概況

瓦斯治理巷位于北七采區右翼,西鄰48710 采空區，東鄰48712 回風順槽。南鄰北七右翼集中巷；北鄰隨老母斷層。瓦斯治理巷設計長度為710 m。

1）井上位置工作面地表位于馬矢山村東側、東南方是大腦上村，位于隨老母斷層南側、蓮葉塔村北側；地表為山谷地形，溝谷縱橫；工作面煤層頂板到地面的垂直厚度203～328 m，平均煤層頂板到地面的垂直厚度265 m 左右。

2）井下位置工作面井下位置東側是北七采區。東起48712 工作面（已形成）切眼，西至48706 工作面（已形成）單軌吊巷，在實煤區南側，西南部相鄰8號煤48710、48708 采空區。西銘礦西七盤區工作面開采了48712 工作面上覆2 號煤，同時，也有一部分煤被西銘鄉小窯開采，2 號煤層與8 號煤層之間相隔距離大概是94 m。首先施工48712 切眼聯絡巷，從切眼開口沿8 號煤以254°59′56″方位施工15 m；以344°59′56″方位開口施工瓦斯治理巷掘進50 m，以10°下山掘進50 m 穿層進入9 號煤；沿9號煤掘進57 m 后再以273°41′22″方位掘進266 m，后以10°上山穿層掘進55 m，進入8 號煤，沿8號煤施工232 m 后與48706 單軌吊巷貫通。

2 巷道斷面設計

48712 瓦斯治理巷為工作面瓦斯治理巷道。巷道沿8 號、9 號煤施工時選用矩形斷面，寬4.0 m，高3.6 m。巷道穿層施工時選用梯形斷面，上寬3.9 m，下寬4.85 m，高3.2 m，可滿足通風要求。

1）瓦斯治理巷掘進機最大寬度為2.9 m，巷幫和掘進機安全間隙0.8 m。

以上參數確定瓦斯治理巷沿8 號煤施工時掘進寬度為：設備寬度（2.9 m）+巷幫和掘進機安全間隙（0.8 m）=3.7 m。

所以巷道毛寬4.0 m，凈寬3.9 m。

瓦斯治理巷設計高度為3.5 m，為保證掘進機臨時支護能正常升起，故瓦斯治理巷設計高度為3.6 m。

2）按最小斷面風速進行驗算：

式中：Q巷為局部通風機實際吸風量，取600 m3/min；S掘為掘進斷面，取14 m2。

將相應數據代入式（1）得：V巷=42.857 m/min=0.71 m/s。

由于0.25＜0.71＜4，故巷道斷面設計合理。

3）根據以上參數確定：瓦斯治理巷沿8 號煤及9號煤施工時掘進毛寬4.0 m,毛高3.6 m，毛斷面積14.4 m2；凈寬3.9 m，凈高3.55 m，凈斷面積13.84 m2。

4）根據以上參數確定：瓦斯治理巷穿層施工時采用架棚支護，掘進毛上寬3.9 m，毛下寬4.9 m，毛高3.4 m，毛斷面積14.96 m2；凈上寬3.5 m，凈下寬4.6 m，凈高3.0 m，凈斷面積12.96 m2。

3 巷道支護設計

3.1 支護形式

該工作面沿8 號煤頂板掘進時，頂、幫采用螺紋鋼錨桿“一掘一錨”支護；當該工作面遇斷層、陷落柱等地質構造時，陷落柱伴生斷層對煤層的破壞性大，同時容易產生安全事故，需要選擇架棚支護及類似穩定的支護形式，并制定專項安全技術措施。

1）瓦斯治理巷沿8 號煤石灰巖頂板掘進時，頂板采用“錨桿（Φ20 mm×1 800 mm）+錨索+金屬網”聯合支護形式，沿煤層頂板矩形布置，同一排錨桿之間的間距和兩排錨桿之間的間距即錨桿間排距1 200 mm、1 500 mm，錨索規格Φ17.8 mm×5 400 mm，兩排錨索之間花形布置，間排距3.0 m、1.5 m；

兩幫采用“錨桿（Φ20 mm×1 800 mm）+錨索+金屬網”聯合支護形式，沿煤層頂板矩形布置。同一排錨桿之間的間距和兩排錨桿之間的間距即錨桿間排距1 500 mm、1 300 mm，錨桿之間矩形布置，最上排錨桿距煤層頂板之間的距離為300 mm。左側護幫錨索Φ17.8 mm×3 000 mm，錨索之間矩形布置，間距3.0 m、排距1.5 m。

2）瓦斯治理巷穿層掘進時，煤層采用架棚支護形式，其中棚梁長380 cm，棚腿長340 cm，材質選擇使用11 號礦用工字鋼，構頂、攀幫、撐木分別為6、6、4 根。工字鋼棚距60 cm。

3.2 巷道支護參數

瓦斯治理巷沿石灰巖頂板掘進支護計算。

錨桿支護設計主要確定的數值包括巷幫破壞深度C，煤層頂板破壞高度b、煤層頂板載荷集度Qr，巷幫載荷集度Qs，以及錨桿支護的參數。

3.2.1 巷道兩幫破壞深度C 的確定

式 中：Kσ為應力集中系數，Kσ=Ks×Ka=2.3 ×1.27=2.921，其中Ks為應力集中系數，關系到巷道斷面形狀，經驗值取2.3；Ka為臨近工作面開采區對目標開采區影響的系數，由式（3）確定：

式中：X 為煤柱實際寬度，取15 m；σrm為老頂單向抗壓強度，取70 MPa；h 為采高，取4.2 m；hi為直接頂厚度，平均2.81 m；σcc為被巷道切割的煤層單一方向所能承受壓力強度，取16 MPa；γ 為巷道上被巖石覆蓋的煤層的平均容重，經驗值取25 kN/m3；H 為巷道埋深，取328 m；α 為煤層傾角，取5°；hc為煤層受到巷道切割后的厚度，取4.2 m；l 為煤層受到巷道切割后的最大寬度，取4.0 m；μ 為煤層泊松比，在有實測值的情況下，用實測值，在無實測值情況下，選經驗值0.45；Φ 為煤層內摩擦角（°），

將上述數據代入式（2）得：C=0.43 m。

3.2.2 巷道頂板破壞高度b 的確定

許江等［18］以紅皮紅心、綠皮紅心、紅皮白心和白皮白心4種不同肉質顏色的32份蘿卜品種為試材，鏡檢觀測不同顏色肉質蘿卜的核型。分析結果表明，不同顏色肉質蘿卜具有相同的染色體數目，染色體結構均較對稱，多數染色體為中部著絲點染色體，染色體長度差異不明顯，都沒有隨體。所有材料的對稱性都較強，說明它們屬于進化上比較原始的類型，但白色肉質蘿卜相對紅色肉質蘿卜具有更強的對稱性。從核型上分析，紅色肉質蘿卜比白色肉質蘿卜進化程度更高。

對于頂板為均質巖層，b 由式（4）確定：

式中：a 為懸臂巖層的半跨距，2.0 m；C 為巷道兩幫破壞深度，0.43 m；λ 為考慮來自水平方向壓力的巷道側壓系數，取0.818；Ky為頂板巖層完整系數，與巖層裂縫、煤層分層厚度與煤層承受強度等因素有關，，其中D1為節理間距，取0.3 m；D2為分層厚度，取0.2 m；σcr為頂板巖層抗壓強度，取70 MPa。

將上述數據代入得：b=0.81。

3.2.3 煤層頂板載荷集度Qr的確定

將相關數據代入式（5）得：Qr=126 kN/m。

3.2.4 巷幫載荷集度Qs的確定

兩幫均為煤層時巷幫載荷集度：

將相關數據代入式（6）得：Qs=33 kN/m。

1）因為煤層頂板破壞高度范圍在0.3～1.5 m 之間，所以選擇下面方法確定頂錨桿的長度：

式中：Δ 為錨桿暴露在外面的長度與錨桿固定部分的長度之和，錨桿暴露在外面的長度取0.1 m，錨入穩定巖層的錨桿固定部分的長度取0.8 m。

將相關數據代入式（7）得：Lbr=1.71 m，根據相鄰工作面施工經驗取1.8 m。

2）幫錨桿長度：由于0.3＜C＜1.5 m，選擇下面方法確定幫錨桿的長度：

式中：Δ 為錨桿暴露在外面的長度與錨桿固定部分的長度之和，錨桿暴露在外面的長度取0.1 m，錨入穩定巖層的錨桿固定部分的長度取1.0 m。

將相關數據代入式（8）得：Lbr'=1.53 m，根據相鄰工作面施工經驗取1.8 m。

3.2.6 錨桿參數計算

頂錨桿選用MSGLW-335/20×1800 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，以錨桿的屈服力105 kN 計算錨桿參數。

1）錨桿桿體直徑d，根據錨桿承受壓力與錨桿固定部分承受強度原則確定。

式中：Q 為錨桿錨固力，取105 kN；σt為桿體材料抗拉強度，取490 MPa。

將上述數據代入式（9）得：d=16.44 mm，取20 mm。

2）頂錨桿排距Dr：

式中：Pr為錨桿錨固力，取105 kN；K 為安全系數，取1。

將相關數據代入式（10）得Dr=2.0 m。通過以上計算及錨桿使用的經驗，瓦斯治理巷取1.5 m。

3）每排頂錨桿根數N：

式中：K 為安全系數，取1；Qr為頂板載荷集度，Qr=126 kN/m；Dr為錨桿排距，取1.5m；Pr為錨桿錨固力，取105 kN。

將相關數據代入式（11）得N=1.8 根。為增加頂板的支護強度，根據相鄰工作面支護經驗，瓦斯治理巷掘進時取4 根。

4）每排幫錨桿根數：

式中：K 為安全系數，取2；Qs為兩幫載荷集度，取33 kN/m；Ds為錨桿排距，取1.5 m；Ps為幫錨桿錨固力，取105 kN。

將相關數據代入式（12）得N'=0.94 根。根據經驗，瓦斯治理巷取3 根。

經計算及結合西銘礦相鄰工作面支護經驗，瓦斯治理巷頂錨桿的間排距確定為1.2 m、1.5 m，矩形布置，能滿足支護的要求。幫錨桿的間、排距確定為1.5 m、1.3 m，能滿足支護的要求。

3.2.7 驗算支護強度

根據錨桿的設計錨固力，頂錨桿設計錨固力Q為90 kN，幫錨桿設計錨固力Ps為50 kN，驗算支護強度。

1）錨桿桿體直徑d：根據錨桿承受壓力與錨桿固定部分承受強度原則進行驗算。將相應數據代入式（9）得：d=15.22 mm，取20 mm。

2）頂錨桿排距Dr：將相應數據代入式（10）得：Dr=1.82 m。通過以上驗算，瓦斯治理巷取1.5 m，能滿足支護的要求。

3）每排頂錨桿根數N：將相應數據代入式（11）得：N=2.1 根。通過以上驗算，瓦斯治理巷掘進時取4根，能滿足支護的要求。

4）每排幫錨桿根數：將相應數據代入式（12）得：N'=1.98 根。根據經驗，瓦斯治理巷取3 根能滿足支護的要求。

經計算及結合西銘礦相鄰工作面支護經驗，瓦斯治理巷頂錨桿的間、排距確定為1.2 m、1.5 m，矩形布置，能滿足支護的要求。幫錨桿的間、排距確定為1.5 m、1.3 m，能滿足支護的要求[1-3]。

4 結語

錨桿、錨索和金屬網聯合支護有利于治理回采期間的瓦斯，保證了48712 工作面的生產安全。錨桿、錨索和金屬網聯合支護在回采結束后能夠長期保持支護狀態，提高回采工人的工作效率，減少支護成本，提高瓦斯治理巷斷面的利用效率，增加煤礦企業收益，為礦井安全生產做出貢獻。