草垛沟煤矿顺槽巷道掘进技术的研究应用

郑智儒

（山西煤炭进出口集团左云草垛沟煤业有限公司，山西 大同 037001）

1 工程概况

左云草垛沟煤矿位于大同煤田西北部，东离山西大同市约34km，西离左云县城约24km。为了使8203 回风顺槽巷道形成系统，准备绕道从东翼回风巷开口，AB 段长21.729m，方位40°，坡度-7°16′39″，到位后开始按照250°方位反掘8203 回风顺槽。8203 回风顺槽BC 段长16.671m，坡度为-7°16′39″；CD 段长5.321m，水平掘进；DE 段长4.435m，沿顶板水平掘进，底板按照-8°下山掘进，巷道高度由2.4m 增加至3.0m；EF 段长9.799m，水平掘进与8-2#煤层集中运输巷贯通。巷道断面为矩形，断面规格：宽×高=4000×2400mm，该巷道主要用于8-2#煤层8203工作面回采时的原煤运输及进风巷，服务年限设计达到12 个月以上。

2 回风顺槽系统巷道掘出技术

采用钻爆法施工，YT28 型气腿式风动凿岩机打眼，全断面一次爆破，循环进尺为1.8m。

巷道初始掏槽采用楔形方案，周边眼布置位置与设计方案中轮廓线之间约为160～250mm。炸药选用2#煤矿许用乳化炸药，采用毫秒延时起爆网路，应用MFB－200 型隔爆电容式起爆装置进行爆破。炮孔为连续性装药结构，爆破网络采用串并联，全断面一次起爆，装药过程中保证炸药贴近炮孔底端，使用设计的雷管段别，水孔时采用防水套保护措施，避免炸药由于水作用导致潮湿进而出现拒爆现象。炮孔布置如图1 所示。

巷道爆破设计总的炸药量：

式中

q- 单 位 炸 药 消 耗 量，q=1.2kg/m3（ 煤），q=2.0kg/m3（岩），半煤岩取1.8kg/m3；

S-巷道断面积，取10.08m2；

L-炮孔深度，取2.0m；

n-炮孔利用率，0.8～0.9，取0.9。

每茬进度炮孔数目计算：

式中：

N-炮孔个数；

m-选用药卷长度，0.2m；

S-巷道断面积，10.08 m2；

n-炮孔利用率0.8～0.9，取0.9；

x-炮孔装药系数0.5～0.7，取0.5；

p-每个药卷重量，0.2kg。

则：Q=1.8×10.08×2.0×0.9=32.66kg（半煤岩）

N=1.8×10.08×0.9×0.2/（0.5×0.2）=32.66（半煤岩）

实际炮孔数量取34 个（半煤岩），实际总装药量33.2kg（半煤岩）。

图1 炮孔布置

3 巷道支护方式

在巷道掘进过程中，为了保证其安全稳定性，提出了以下支护方式：

（1）锚杆参数确定

组合梁理论[1-4]被广泛应用于巷道锚杆参数的设计。

① 锚杆长度计算：

式中：

L-锚杆长度，m；

L1-锚杆在回风巷的超出长度，经验值取0.1m；

L2-锚杆设计有效受力长度，m；

L3-被锚固的锚杆长度，按经验值取0.6m。

式中：

L2-锚杆有效受力长度，m；

K1-抗拉安全系数，设计为8；

q-梁结构分布的载荷，取2.5kN/m2；

B-回风巷道设计宽度值，设计为4.2m；

δT-岩石抗拉强度，取50MPa。

则：L2≥0.5B（K1q/δT）1/2

≥0.5×4.2（8×2.5/50）1/2≥0.949m

② 考虑将锚杆间距与排距设置为相等，则：

式中：

a-锚杆间排距，m；

D-锚杆杆体直径，mm；

L2-锚杆有效受力长度，m；

T-杆体材料抗剪强度，取120MPa；

K2-顶板抗剪安全系数，3～6 ，取6；

B-巷道开拓宽度，取4.2m；

q-组合梁结构承受载荷，设置为2.5kN/m2。则：

a≤0.0458D(L2T/K2qB)1/2

≤ 0 . 0 4 5 8 × 1 8 × { ( 1 . 1 0 7 × 1 2 0 ) /（6×2.5×4.2)}1/2≤1.197m

③ 锚杆锚固长度计算：

式中：

L-锚固剂长度，为600mm；

D-钻孔直径，为28mm；

D1-树脂锚固剂直径，为23mm；

D2-锚杆内径，为18mm。

通过以上计算，按照非金属矿巷道锚杆支护方法理论中规定[5-7]，应该将螺纹钢树脂锚杆的钻孔直径以及锚杆、树脂锚固剂直径进行耦合配置，其中设计的钻孔直径与锚杆杆体直径、树脂锚固剂直径相差不能超过6～10mm、4～8mm 的合理区间。现采用钻孔直径为28mm，树脂锚固剂直径为23mm，锚杆内径为18mm，符合“三径”匹配要求。回风巷道顶部锚杆采用的是Φ18×2000mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，而托盘考虑选用150×150×10mm铁材质，间距、排距设定为950 mm 和1000mm，同时一排设置为5 根，MSK2360 树脂锚固剂应用与锚杆一一对应，锚固力≥60kN，预紧力距≥100N•m。锚索采用Φ15.24×4300mm 钢绞线，托盘使用300×300×10mm 钢材质板，排距为3000mm，每排1 根，每根锚索使用两支MSK2360树脂锚固剂，锚固力≥150kN。巷道顶部采用金属网防护并用直径6mm 的钢筋焊牢，网格设计为100×100mm，长×宽=1100×2100mm，网与网间搭接100mm，用16 号铅丝扭结，扭结3 圈，间隔100mm 扭结一匝。

以“敲帮问顶”为经验方法，及时利用超过2m 长度的长柄设备找尽浮煤、悬矸，打眼作业时设专人观察顶板。工作面进行临时支护设计时，前探梁经常被视为优选方法，前探梁以三根12#槽钢为基础，长度大约为 4.0m，每根前探梁使用2 个长方形吊环（使用Φ30mm 的圆钢加工而成，规格宽400mm，高200mm）与工作面顶锚杆固定。每次放完炮后，前探梁必须及时由外向里将前探梁一次性推移至距工作面迎头≤300mm，用8 根刹顶木（长×宽×厚=2400×150×50mm）将前探梁背紧，在前探梁掩护下方可进行作业。如遇顶板破碎或遇构造等特殊情况下，必须增加前探梁数量，由原数量再增加一根。支护设计如图2 所示。

图2 支护设计图

（2）效果分析

选用上述设计的支护方式，通过对巷道的监测，发现8203 回风顺槽巷道的顶板、底板下沉最大变形值为121mm、114mm，巷道的两帮壁变形值为106mm，整体上回风巷道稳定性控制在安全范围内。从巷道顶板离层角度分析锚杆的受力情况，发现了回风顺槽巷道的顶板扰动离层数值变化可忽略不计。通过测力计判别锚杆的受力在安全值内，因此表明了巷道顶板较为稳定，说明设计的锚杆支护方式较为可靠，巷道支护设计比较合理。

4 结 语

（1）通过对8203 回风顺槽巷道背景的分析，采用了契形掏槽法，确定了炮眼数量34 个，实际总装药量33.2kg，提高了工作效率，降低了爆破振动效应。

（2）巷道维护采用了永久支护和临时支护方式，计算出最佳的合理锚杆长度、间距分别为1.649m、1.197m，后期巷道监测中，顶板、底板最大位移量为121mm、114mm，巷道变形控制较好。

（3）为了保证巷道在掘进过程中稳定性，制定了安全措施，确保了安全生产。