3- 边角082运输巷道支护设计及施工工艺

陈 旋

(山西省长治经坊煤业有限公司， 山西 长治 047100)

1 前言

3#煤层位于经坊煤业七采区，3- 边角082工作面所掘煤层属沁水煤田3#煤层，为二叠系下统山西组，煤层赋存稳定，平均厚度6.3m，煤层倾角为2°～6°，属贫瘦煤，普氏硬度系数f=1.5。地面标高+950～+956m，煤层底板标高+680～+700m。

3- 边角082运输巷道施工采用综合机械化工艺；硐室施工及过地质构造带施工时，采用钻爆法工艺。3- 边角082运输巷道总长度为1 038.33m，其中利用原3- 7051运输巷道长度为620.58m，新掘进巷道长度为417.75m。运输巷道掘进中需布置临时水仓2个，无轨胶轮车掉头硐室2个，材料、油脂硐室各4个。

依据3- 边角082运输巷道支护设计，3- 边角082运输巷道为矩形断面，巷道宽为5.2m，高为3.1m，沿3#煤层底板掘进。开口处坐标X为3996979.613，Y为19683924.230,掘进方位角为88°13′9″。

2 巷道支护设计

本巷道支护设计参照采矿工程设计手册围岩分类标准、掘进断面选择及支护参数选取，利用工程类比法确定本运输巷道支护形式及支护参数。根据邻近工作面两运输巷道矿压观察数据及支护经验，确定3- 边角082运输巷道采用矩形断面，锚杆+网+锚索联合支护。

2.1 采用类比法合理选择支护参数

根据邻近工作面两巷矿压观测资料和同煤层邻近巷道的支护经验，3- 边角082运输巷道顶锚杆、帮锚杆均采用φ22mm×2 400mm左旋螺纹钢锚杆，顶锚杆间排距为800mm×800mm，帮锚杆间排距为850mm×800mm；锚索采用φ22mm×9 000mm的19股高强度低松弛预应力钢绞线，每排2根，锚索间距为2 400mm，排距为1 600mm。

顶锚杆预紧力矩不低于320N·m,锚固力不小于150kN。帮锚杆预紧力矩不低于320N·m,锚固力不小于100kN。锚索预应力不低于150kN，锚固力为300kN。

2.2 校核支护参数

1) 锚杆长度参数计算

顶锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮体作用，达到支护效果的条件。锚杆长度应满足

L≥L1+L2+L3

(1)

式中：L——锚杆总长，m；

L1——锚杆外露长，取0.1m；

L2——有效长度(顶锚杆取免压拱高b，帮锚杆取煤帮破碎深度c)，m；

L3——锚杆锚固长度(取值0.3～0.4m)，m。

普氏免压拱高b为

b=[B/2+Htan(45°-ω帮/2)]/f顶

(2)

式中：B、H——巷道掘进宽度和高度，B=5.2m，H=3.1m；

f顶——顶板岩石普氏系数，取2；

ω帮——两帮围岩的内摩擦角，取63.43°。

b=[5.2/2+3.1×tan(45°-63.43/2)]/2=1.67m

依据上述公式计算得出：锚杆总长L≥L1+L2+L3=0.1+1.67+0.4=2.17m，所选锚杆长度均能满足计算要求。

2) 锚杆直径参数计算

按杆体承载力与锚固力等强度原则，顶锚杆直径为

(3)

式中：Q——锚杆锚固力,取现场拉拔力试验数据的平均值或经验数据,0.15MN；

σt——杆体材料的设计抗拉强度，Pa，材质为HRB335钢筋的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其值为455MPa。

因此，锚杆直径取值应不小于20.52mm，所选锚杆为φ22mm，满足计算要求。

3) 按锚杆所能悬吊的重量校核锚杆的排距

以按单体锚杆悬吊作用计算，每根锚杆的锚固力等于锚杆所控制的上覆岩层的重量，并令锚杆间距等于排距，可得锚杆间排距计算公式为

(4)

式中：Q——锚杆的锚固力，取值为0.15MN；

k——安全系数，取值为2；

γ——覆岩层的平均体积力，取值为0.0141MN/m3；

L2——上覆不稳定岩层的厚度，根据前文计算取值1.7m。

考虑矿井实际情况，结合我国《煤巷锚杆支护技术规范》规定：锚杆间距不易大于锚杆长度的1/2；Ⅳ、Ⅲ类围岩的锚杆间距宜为0.5～1.0m，不得大于1.25m。根据我国煤炭系统的经验，岩石较稳定时，通常取0.8～1.0m，松软岩层时，通常取0.6～0.7m。

结合巷道断面，故3- 边角082运输巷道顶锚杆间排距为800mm×800mm，帮锚杆间排距为850mm×800mm。

4) 锚索长度计算

锚索的长度应满足[1]

L=La+Lb+Lc+Ld

(5)

式中：L——锚索的总长度，m；

La——锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，m。

式中：d1——锚索直径，取22mm；

fa——锚索抗拉强度，取1 860N/m2；

fc——锚索与锚固剂的黏结强度，10N/m2；

Lb——需要悬吊的不稳定岩层厚度，取两倍采高6.2m；

Lc——托板及锚具的厚度，0.07m；

Ld——外露张拉长度，0.25m。

L=1.0+6.2+0.07+0.25=7.52m

结合以上计算取锚索长度应不小于7.52m，3- 边角082运输巷道选用φ22mm×9 000mm高强度预应力钢绞线，满足计算要求。

3 支护施工工艺

3.1 支护形式及材料规格

1)支护形式

(1)顶板采用锚杆、锚索、钢梁、经纬金属网联合支护。

(2)两帮采用锚杆、钢梁、经纬金属网支护。

(3)顶板锚索支护采用φ22mm×9 000mm的19股高强度低松弛预应力钢绞线，每排2根，锚索间距为2 400mm，排距为1 600mm。

(4)运输巷道每掘进50m全断面铺设一排绝缘网，联网要求与金属网相同。

绝缘网参数：单根拉断力大于2 400N，拉断伸长率小于25%，拉伸强度大于180MPa，上下表面电阻值均小于1.0×109Ω。

2)安装锚杆要求

(1)顶锚杆间排距为800mm×800mm，帮锚杆间排距850mm×800mm。

锚杆外露长度从锚杆螺母算起不小于10mm、不大于50mm。

(2)锚固力：顶锚杆不小于150kN，帮锚杆不小于100kN。

螺母扭力矩：顶锚杆不低于320N·m，帮锚杆不低于320N·m。

(3)顶锚杆角度垂直于顶板，遇裂隙时，锚杆要尽量垂直于裂隙面；帮锚杆垂直巷帮布置，托板垂直于顶底板。

(4)顶帮锚杆孔深均为2 350mm，打设顶锚杆使用MQT- 130/3.0S锚杆钻机钻顶眼，钻头使用φ32mm的合金钢钻头。先用1.2m中空六方短钻杆钻进，然后更换为2.4m钻杆。钻眼时，严格按锚杆间、排距设计进行，钻机升起使钻头插入相应的钢筋梁孔中，然后开动钻机进行钻眼。顶锚杆眼深为2 350mm，误差0～+30mm。

(5)锚杆支护工序：由外向里、先顶后帮、先中间后两边。

3)铺联网要求

金属网之间长边搭接100mm,短边搭接200mm，联网时用16#铅丝双边双联、双丝双扣、孔孔相连，必须连接牢固，保证联网质量。

4)锚索支护要求

(1)锚索支护形式为配金属托板支护。

(2)打设锚索使用MQT- 130/3.0S型气动锚杆钻机钻顶眼，三人一组进行操作。钻机必须支设牢固。采用B19中空六方接长钻杆和φ32mm钻头按设计位置钻孔，孔深8 700mm,误差0～+100mm。

(3)利用锚索将树脂药卷(1支K2335型、2支Z2360型)轻轻推送至孔底，锚索下端用搅拌器与锚杆钻机相连，开机搅拌同时向上推进锚索。先慢后快，待锚索推至眼底后，采用全速搅拌30s，停止搅拌，等待30s后下缩锚杆钻机，卸下搅拌器。锚索外露为锁具外150～250mm之间[2]。

(4)张拉锚索：待锚索凝固1h后，方可安装托板、锁具，并用张拉千斤顶张拉锚索到设计预应力150kN之后卸下千斤顶。

(5)锚索预紧时，必须用锚索专用张拉器拉紧，达到预紧力矩。

5)循环进尺

循环进尺可根据工作面帮顶情况而定：

(1)在顶板完整，煤层层理、节理都不太发育时，循环进尺可定为1.6m，最大空顶距为1.8m,最小空顶距为0.2m。

(2)在顶板有淋水或煤层层理、节理都比较发育，煤层松软时，循环进尺为0.8m，最大空顶距为1m,最小空顶距为0.2m。

3.2 支护工艺及要求

1)临时支护

敲帮问顶：人员进入工作面前，由班长利用长度不小于2.5m的长柄工具站在有效支护安全区认真进行敲帮问顶并及时处理活矸、活炭；有顶板离层等异常情况时，要及时采取措施；确认安全后，方可进入工作面作业。

(1)吊环式前探梁临时支护。临时支护采用3根φ75mm钢管作为前探梁，临时支护中前探梁分别用两个吊环固定在工作面顶锚杆上，前后吊环间距为两排锚杆支护间距(即1.6m)，前探梁上用背板接顶，背紧背牢，背板数量需满足临时支护要求。临时支护距工作面煤壁300mm，距工作面两侧煤壁为350mm。

背板：采用优质松木，规格为4 500mm×350mm×50mm。

前探梁：采用φ75mm，长4m，厚度不小于5mm的钢管制作。

吊环：用厚度为10mm钢板制作的专用吊环，用锚杆螺帽固定在合格有效的锚杆上，螺母必须拧紧、牢固，严禁有失效和脱扣现象。

工作面地质条件稳定时临时支护采用ZLJ- 5.5机载临时支护装置，额定工作压力为16MPa，初撑力不低于16kN，额定工作阻力为20kN，支护强度为5.5kN/m2，掘进中必须及时跟进接顶，确保临时支护安全有效。工作面顶板及围岩破碎或揭露构造带时采用吊环式前探梁临时支护。

(2)超前锚杆临时支护。当掘进工作面揭露断层、陷落柱及围岩破碎顶板压力较大时，在使用吊环式前探梁临时支护的同时采用超前锚杆加强支护，具体要求如下：

掘进前，在永久支护区将超前锚杆以水平向上70°夹角打入掘进前方稳定煤岩层内，超前锚杆间排距1 000mm×800mm，距两帮不大于500mm，使其起到支护掘进进尺范围内顶板，有效地约束围岩在掘进后的一定时间内不发生松弛坍塌，确保安全施工。

超前锚杆采用φ22mm×2 400mm左旋螺纹钢锚杆，使用K2335和Z2360型树脂锚固剂各一支，顶锚杆预紧力矩不低于320N·m,锚固力为150kN，锚杆外露为螺母丝扣外10～40mm之间。

掘进后，及时推进前探梁临时支护，然后进行永久支护作业。

2)加强支护工艺及要求

(1)锚网+木棚联合支护。当巷道穿越断层、陷落柱及围岩破碎带时，及时缩短锚索间排距，采用锚网+木棚联合支护。

木棚：选用直径不小于160mm的圆木架棚，木棚与巷帮之间用背板接帮，背紧背牢，在梁腿接口处与顶帮围岩之间，需用四个角楔楔紧。木棚排距800mm，围岩较破碎时，根据实际情况缩短木棚排距。

(2)锚网+单体液压支柱与π型钢梁联合支护。当巷道穿越断层、陷落柱及围岩破碎带，受相邻工作面采动影响较大，顶板压力大时，及时缩短锚索间排距，可采用锚网+单体液压支柱与π型梁联合支护。

采用4.8m的π型梁与单体液压支柱进行支护，支护方式为一梁两柱，棚距800mm，两帮单体液压支柱距梁头150mm，柱头须用防倒绳与顶板钢梁进行连接，单体液压支柱初撑力符合要求(不得小于90kN)；当巷道带有坡度时，迎山角合格。

4 结论

通过对巷道进行了支护设计，3- 边角082运输巷道顶锚杆、帮锚杆均采用φ22mm×2 400mm左旋螺纹钢锚杆，顶锚杆间排距为800mm×800mm，帮锚杆间排距为850mm×800mm；锚索采用φ22mm×9 000mm的19股高强度低松弛预应力钢绞线。