微子鎮(zhèn)煤礦15102 回風(fēng)順槽支護(hù)分析

王煜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

1 礦井概況

潞城區(qū)微子鎮(zhèn)晉能控股集團(tuán)三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)公司15 號(hào)煤層一采區(qū)15102 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長度340 m，方位角1°46′41"。開口位置為15102 回風(fēng)順槽，需從一采區(qū)膠帶大巷中8 點(diǎn)前91.3 m 處按方位46°3′35″施工15102 回風(fēng)順槽膠帶聯(lián)巷31 m后，進(jìn)入15102 回風(fēng)順槽按方位1°46′41"掘進(jìn)施工至切眼。根據(jù)地測(cè)防治水科提供的地質(zhì)說明書，頂板巖層分別為：直接頂：泥質(zhì)砂巖，局部為泥巖，巖層厚度為1.38～3.58 m，軟弱-堅(jiān)硬巖石；老頂：粉砂巖，巖層厚度為4～7 m，質(zhì)純堅(jiān)硬，極限抗壓強(qiáng)度54.4～86.0 MPa，屬堅(jiān)硬巖石；直接底：黑色泥巖，巖層厚度為2.78～10.98 m，極限抗壓強(qiáng)度為21.2～40.0 MPa，為軟弱-半堅(jiān)硬巖石;老底:奧灰?guī)r,巖層厚度為280.2 m，灰、深灰色石灰?guī)r，泥灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r和3～4 層石膏層，薄-厚層狀，均勻?qū)永恚顚永怼?5102 回風(fēng)順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，矩形斷面，巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面寬4.5 m，巷道掘進(jìn)高度4.2 m，掘進(jìn)斷面18.9 m2；凈寬4.3 m，凈高4.1 m，凈斷面17.63 m2。遇煤層變薄時(shí)，巷高不低于3.5 m,采用錨網(wǎng)（索）+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)。

2 巷道布置及支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，15102 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長度340 m，開口方位角：1°46′41"；沿煤層頂板掘進(jìn)。開口位置：15102 回風(fēng)順槽需從一采區(qū)膠帶大巷中8 點(diǎn)前91.3 m 處，按方位46°3′35″施工15102回風(fēng)順槽膠帶聯(lián)巷31 m 后，進(jìn)入15102 回風(fēng)順槽掘進(jìn)。開口前必須制定開口安全技術(shù)措施。

15102 回風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面形式：矩形斷面，掘進(jìn)斷面寬4.5 m，掘進(jìn)斷面高4.2 m，掘進(jìn)斷面18.9 m2；凈寬4.3 m，凈高4.1 m,凈斷面17.63 m2。煤層變薄時(shí)，巷高不低于3.5 m，采用錨網(wǎng)（索）+ 鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)。

根據(jù)《15102 回風(fēng)順槽掘進(jìn)地質(zhì)說明書》描述的地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍑鷰r分布情況及《山西晉能控股集團(tuán)三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司礦井兼并重組整合項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)二次變更（修改版）》設(shè)計(jì)，15102 回風(fēng)順槽原則上采用沿煤層頂板掘進(jìn)，巷高4.2 m，當(dāng)遇煤層變薄時(shí)，巷高不低于3.5 m，滿足綜采工作面軌道運(yùn)輸及一次采全高要求。

15101 回風(fēng)順槽工程設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)（索）+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)頂板（錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、梯子梁），遇頂板破碎帶、斷裂構(gòu)造帶，頂?shù)装濉⒚簬退绍浀忍厥馇闆r時(shí)，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。可通過減小錨桿錨索間排距、架設(shè)U 型棚等方式，采用多種形式聯(lián)合支護(hù)；在巷道頂板難以維護(hù)時(shí)，必須提前對(duì)有毒有害氣體進(jìn)行觀測(cè)。巷道頂板采用注漿、鋪網(wǎng)、架棚等方式支護(hù)頂板。為確保安全施工，需要及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案時(shí)，必須制定針對(duì)性安全技術(shù)措施；巷道掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)禁空頂作業(yè)，并做好超前支護(hù)。

3 支護(hù)參數(shù)確定

3.1 巷道錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算

錨桿長度計(jì)算公式為[1-2]：

式中：l1為外露長度（應(yīng)由“錨桿在螺母外的外露長度+螺母長度+托盤厚度”等相關(guān)內(nèi)容組成，一般取值不小于100 mm），取值0.1 m；l2為錨桿有效長度，m；l3為錨桿深入老頂長度，m。

1）錨桿有效長度計(jì)算。l2長度計(jì)算，根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可以取工作面?zhèn)雾敽穸取⒁姿橹苯禹敽穸取⑵帐厦鈮汗案叨群晚敯鍘r體破碎帶高度中的最大值。有效長度取普氏免壓拱高度和頂板巖體破碎帶高度中的較大值。

普氏免壓拱高度計(jì)算。由于頂板為砂巖、局部為泥巖，f值為3，故免壓拱高度計(jì)算公式為：

式中：B為巷道掘?qū)挘?.5 m；f為頂板巖層硬度，砂質(zhì)泥巖取為3。將以上數(shù)據(jù)代入公式可得免壓拱高度b=4.5/（3×2）=0.75 m。

為了解決上述傳統(tǒng)圖像分割技術(shù)中出現(xiàn)的困難和問題，在最近幾年中，研究人員以形變模型的圖像為基礎(chǔ)對(duì)于分割算法進(jìn)行了更為寬泛的研究和應(yīng)用，并且取得了重大的進(jìn)展。接下來對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)則模型、活動(dòng)詳情模型和水平集模型的超聲圖像分割辦法進(jìn)行討論。

頂板破碎帶高度計(jì)算。頂板破碎帶高度計(jì)算公式為[3-4]：

式中：RP為巖體破碎帶半徑，m；h為非圓巷等效圓中心至頂板距離，2.1 m；R0為巷道等效圓半徑，巷道斷面為4.5 m×4.2 m，根據(jù)幾何關(guān)系取值3.07 m；γZ為巷道所處地應(yīng)力水平，γ巖石容重 2.4 kN/m2，Z為巷道中心距地表深度平均230 m；φ為砂質(zhì)泥巖的內(nèi)摩擦角，經(jīng)查閱《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》取值為70°；C為砂質(zhì)泥巖的內(nèi)聚力，取值2.5MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算可得RP= 3.16 m，則破碎帶高度為Rp-h=3.16-2.1=1.06 m。故l2的取值為1.06 m。

2）l3的長度計(jì)算。①根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值大于0.3 m；②按照錨固粘結(jié)力與拉斷承載力關(guān)系計(jì)算：

式中：d為錨桿直徑，取值0.02 m；σt為錨桿抗拉強(qiáng)度，材質(zhì)為HRB335 鋼筋的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其值為455 MPa；τc為粘結(jié)強(qiáng)度，查閱《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》取為5 MPa。將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得l3=0.46 m。

根據(jù)以上計(jì)算，錨桿長度為l=l1+l2+l3=0.1+1.06 + 0.46 = 1.62 m。因此，錨桿長度取值應(yīng)不小于1.62 m。

根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)》錨桿直徑計(jì)算公式：

式中：d為錨桿直徑，m；Q為錨桿錨固力，取現(xiàn)場(chǎng)拉拔力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，錨桿設(shè)計(jì)錨固力取105 kN；σt為錨桿抗拉強(qiáng)度，取值為455 MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入公式得d=0.017 m。因此，錨桿直徑取值應(yīng)不小于0.017 m。

按單體錨桿懸吊作用計(jì)算，每根錨桿的錨固力等于錨桿所控制的上覆巖層的重量，并令錨桿間距等于排距，可得錨桿間排距計(jì)算公式：

式中：Q為錨桿的錨固力，取值為0.105 MN；k為安全系數(shù)，取值為1.8；γ為懸吊的直接頂巖層體積力，取值為0.024 MN/m3；l2為上覆不穩(wěn)定巖層的厚度，根據(jù)前文計(jì)算取值1.06 m。

將以上數(shù)據(jù)代入公式得α=1.51 m。 故錨桿間排距取值應(yīng)不大于1.51 m，間排距800 mm×1 000 mm 符合要求。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)計(jì)算

錨索的長度應(yīng)滿足

式中：L為錨索的總長度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；K為安全系數(shù)，取2；d1為錨索直徑，取18.9 mm；fa為錨索抗拉強(qiáng)度，取1 860 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度，10 N/mm2；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，根據(jù)直接頂厚度最大取值3.58 m；Lc為托盤及錨具的厚度，0.07 m；Ld為外露張拉長度，0.25 m。

結(jié)合以上計(jì)算，取錨索長度應(yīng)不小于5.66 m。

按照懸吊理論校核錨索排距：

式中：L為錨索排距，m；B為巷道最大冒落寬度，取4.5 m；H為巷道最大冒落高度，取3.58 m，根據(jù)直接頂厚度最大取值3.58 m；γ為巖體容重，直接頂取24 kN/m3；L1為錨桿排距，取1 m；F1為錨桿錨固力，105 kN；F2為錨索極限承載力，取400 kN；θ為角錨桿與巷道頂板的夾角，75°；n為每排錨索的根數(shù)，取2 或3，本次取2 計(jì)算。

結(jié)合以上計(jì)算取錨索的間距和排距應(yīng)小于4.35m,設(shè)計(jì)間排距2 000 mm×2 000 mm 符合要求。

表1 5102 回風(fēng)順槽頂板支護(hù)參數(shù)，錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

金屬網(wǎng)：10 號(hào)鉛絲編制礦用金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔特征尺寸50 mm，網(wǎng)片寬度1 100 mm。頂部網(wǎng)片長5 300 mm，幫部網(wǎng)片長3 000 mm。鋼筋梯子梁：頂φ14 mm×4 300 mm；幫φ14 mm×3 200 mm。

圖1 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)示意圖

3.3 臨時(shí)支護(hù)布置形式

15102 回風(fēng)順槽臨時(shí)支護(hù)采用ZLQ-20 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置，同時(shí)工作面?zhèn)溆媒饘偾疤搅褐ёo(hù)用于因頂板破碎等原因造成機(jī)載前探梁無法有效接頂?shù)那闆r。15102 回風(fēng)順槽臨時(shí)支護(hù)采用ZLQ-20 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置，且支護(hù)護(hù)板結(jié)構(gòu)采用折疊框架形式，在具體工作中可根據(jù)巷道具體形式自行調(diào)節(jié)各個(gè)角度的工作面積；伸縮臂采用吊車支臂設(shè)計(jì)理論，工作可靠的同時(shí)增加了其伸縮長度；軌道部分滾動(dòng)摩擦式。臨時(shí)支護(hù)為掘進(jìn)機(jī)機(jī)載形式，由護(hù)板部分、支臂部分、臺(tái)車部分、軌道部分、液壓部分組成。護(hù)板為可折疊，支臂可伸縮，臺(tái)車可在軌道上前后移動(dòng)，所有動(dòng)作均為液壓控制。

機(jī)載臨時(shí)支護(hù)時(shí)，綜掘機(jī)后退至距工作面迎頭約2 m 處，截割頭落地后（加護(hù)罩），閉鎖開關(guān)。此時(shí)工作人員操縱機(jī)載臨時(shí)支護(hù)液壓手柄，使臺(tái)車移動(dòng)到最前端，支臂伸出，護(hù)板打開到最大，并由支臂升降油缸控制護(hù)板高度，對(duì)已截割區(qū)域頂部進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，確定護(hù)板與巷頂接觸踏實(shí)后，工作人員就可以在下部安全地進(jìn)行打錨桿，如圖2 所示。

圖2 打錨桿示意圖（圖中黑點(diǎn)為錨孔示意圖）

4 小 結(jié)

在巷道掘進(jìn)過程中，巷道的支護(hù)對(duì)于巷道的穩(wěn)定性十分重要。通過結(jié)合微子鎮(zhèn)煤礦15102 回風(fēng)順槽掘進(jìn)的實(shí)際情況，確定了合理的錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)以及臨時(shí)支護(hù)的形式。可以為類似條件下，掘進(jìn)巷道的支護(hù)提供一定的參考。