煤矿大断面巷道掘进支护技术的设计与应用

王志诚

（陕西陕煤曹家滩矿业公司， 陕西 榆林 718600）

1 掘进工作面地质条件简介

122110 工作面高+960～+995 m，覆盖层厚度290～327 m，主辅运里程在1 554～3 189 m 范围内2-2 煤层分叉，分为2-2 上煤和2-2 煤，掘进期间不受影响。本工作面内无岩浆岩及较大的褶皱构造，但煤层沿走向或倾向方向有小型起伏，对巷道施工影响不大。122110 辅运顺槽长度5 978 m，宽6.5 m、高4.55 m，巷道断面29.58 m2，井下切眼位于马大滩行政村五队东北部。井下工作面西部是为整个矿井服务的四条大巷，东临近井田边界煤柱，南部为122112 工作面（设计），北部是122108 回采工作面。老顶岩性中粒砂岩、厚度1.4～18.6 m。直接顶岩性细粒砂岩、厚度10.2～28.2 m。直接岩性粉砂岩、厚度2.6～12.7 m。老底岩性细粒砂岩、厚度2.2～5.6 m。

2 支护设计

2.1 巷道支护形式确定

根据巷道围岩性质及曹家滩煤矿矿压观测资料分析，结合曹家滩煤矿12 盘区内钻孔的分析，122110辅运顺槽适合锚杆支护。根据实际的支护经验，确定巷道支护形式为：110 辅运顺槽顶板采用“钢筋网＋左旋无纵筋螺纹钢锚杆＋锚索”联合支护[1-3]，回采侧采用“塑料网+玻璃钢锚杆”联合支护[4-5]，煤柱侧采用“钢筋网+左旋螺纹钢锚杆”联合支护。

2.2 支护参数设计

1）煤柱帮支护：左旋无纵筋螺纹钢锚杆+钢筋网。

锚杆规格Φ22×2.4 m 左旋无纵筋335 号螺纹钢筋，杆尾螺纹为M22、长度150 mm，配高强度螺母。锚杆设计间排距为1 m×1 m，每排4 根锚杆，最上部锚杆带15°仰角施工，最下部锚杆带15°俯角施工，其余锚杆垂直岩面施工，锚杆孔深2 100 mm。锚固剂采用MSCK2380 型，锚杆扭矩不小于150 N·m、锚固力不小于100 kN。钢筋网片为3.8 m×1.1 m 的钢筋网，网片搭接宽度100 mm。

2）回采帮支护：玻璃钢锚杆+塑钢网。

锚杆规格Φ27 mm×2.4 m 高强度玻璃钢锚杆，托盘直径170 mm、厚度15 mm，锚杆扭矩不小于50 N·m、锚固力不小于85 kN。其余参数与煤柱帮支护锚杆相同。网片规格为3 600 mm×2 200 mm 的JDPP30×30MS塑料网，网片搭接宽度100mm，帮部塑料网内不含钢丝。

3）顶板支护：左旋无纵筋螺纹钢锚杆+钢筋网。

顶板支护锚杆规格与煤柱帮支护锚杆规格相同，锚杆间排距为1.2 m×1.0 m，每排6 根锚杆，锚杆托盘采用圆型钢托盘，规格Φ150 mm×6 mm。钢筋网片为3.3 m×1.1 m 的钢筋网，网片搭接宽度100 mm。

锚索形式与规格：顶部用Φ17.8 mm×6.5 m 的钢绞线，锚索孔深6 200 mm，网度为2.4 m×3.0 m，为满足锚索锚固力＞200 kN、预紧力＞150 kN 的支护要求，需采用2 节MSCK2380 型树脂药卷固定安装。

2.3 采用计算法校核支护参数

2.3.1 顶锚杆长度计算（悬吊理论）

式中：L 为锚杆长度，m；H 为冒落拱高度，m；K 为安全系数，1.5；L1为锚固段长度，取0.6 m；L2为锚杆外露长度，＜0.05 m。

式中：B 为巷道开掘宽度，本工作面巷道设计宽度为6.5 m；f 为悬吊岩层硬度系数，取2.85；则H=1.14。

计算得L≥2.36 m。故选用Φ22×2.4 m 左旋无纵筋螺纹钢锚杆满足要求。

2.3.2 顶锚杆间、排距计算

式中：A 为悬吊面积，m2；Q 为设计锚固力，100 kN；H为冒落拱高度，取0.55 m；R 为悬吊层重力载荷，取25 kN/m3；K 为安全系数，取K＝2。

计算得A=3.63 m2，即每根锚杆最大支护面积为3.63 m2，锚杆设计间排1.2 m×1.0 m，每根锚杆实际最大支护面积为0.9 m2，满足支护密度要求。

2.4 采用计算法校核帮部支护参数

2.4.1 帮锚杆长度计算（松动圈理论）

根据松动圈理论，锚杆长度应满足：

式中：L1为锚杆外露长度，＜0.05 m；L2为取煤帮破碎深度，取1.050 7 m；L3为锚固段长度，0.6 m。则L≥0.05+1.050 7+0.6=1.700 7 m。

因此，选用Φ22×2.4 m 左旋无纵筋螺纹钢锚杆满足要求。

2.4.2 锚杆直径

按锚杆承载力与锚固力强度相等计算，即：

式中：D 为锚杆直径，m；c 为取煤帮破碎深度，m；Q 为锚杆抗拔力，取100 kN（换算为15 MPa）；σ 为杆体材料的许用强度，取420MPa；代入参数计算得D＝0.015 6 m。

因此，帮锚杆直径应不小于15.6 mm，实际选用锚杆直径Φ22 mm，符合要求。

2.4.3 锚杆间、排距

锚杆间排距按下式计算：

式中：a 为锚杆间排距，m；Q 为锚杆抗拔力，100 kN；γ 为不稳定煤帮重力载荷，取14 kN/m3；L2为锚杆有效长度，取0.826 m；K 安全系数，取1.1。

经计算：a＜2 m。顶锚杆实际间距1.2 m×1.0 m，帮锚杆实际间距1.0 m×1.0 m，能够满足要求。

2.5 锚索间排距设计

2.5.1 计算每排需要的锚索根数

式中：PV为锚索悬吊的载荷；k 为安全系数，取2（一次采动巷道）；Rt为锚索的承载力，取35.8 t；a 为掘进巷道半宽，取3.25 m；b 为侧压力时为滑动楔形上顶之半宽（巷高3.8 m=a+1.02，取4.27 m）；c 为锚索排距，取3 m；γ 为悬吊岩体容重，取1.34 t/m3。

计算得施工Φ17.8 mm×6 500 mm 锚索根数n≥1.25，锚索实际间距×排距=2 400 mm×3 000 mm，能够满足要求。

2.5.2 矿用锚索设计承载力计算

式中：Nt为矿用锚索设计承载力，N；m 为锚索张拉应力系数，取0.6；n 为钢绞线根数，取值7；Sn为单根钢绞线截面积，取46.08 mm2；Rm为钢绞线抗拉强度，取1 860 MPa。

计算得Nt=360 kN，满足要求。

2.5.3 矿用锚索设计初张力及破断力

使用MQ18-250/53 型矿用锚索张拉机具预紧锚索，初张力按公式计算：

式中：P 为矿用锚索设计初张力，MPa；Nt为锚索设计承载力，取值200 kN；S 为锚索张拉机具油缸有效截面积，取值5 000 mm2。

计算得P=40 MPa，满足要求。

2.6 校核结果

通过以上计算，所选支护参数能满足122110 工作面辅运顺槽掘进工作面支护要求。支护材料规格如表1 所示。

表1 支护材料规格一览

3 支护施工工艺注意事项

3.1 掘锚机支护锚索

锚杆机钻眼需注意根据巷道高度及锚索长度依次装入合适长度的钻杆，操纵钻机旋转阀及进给阀进行钻眼。安装锚索需注意将2 根MSCK3280 树脂药卷送至孔底并搅拌，搅拌时间8～12 s，等待时间控制在8～25 s。张拉锚索需注意待树脂凝固后，人工上锚索托盘和锚索锁具，一人将张拉泵头与锚索外露端连接并扶住张拉泵头，另一人张拉锚索，张拉完后松开张拉泵，并放回原处。

3.2 支护帮网及连网

将帮网与顶网先用连网丝固定，支护施工时利用钻臂同时支护帮锚杆，将网片搭接处压实。锚杆支护完成后，连接网片到最前面一片网的中间位置。

4 最小、最大空顶、空帮距离确定

顶锚杆距工作面最小空顶距为1.8 m（此距离为截割头完全缩回后，钻架到截割头前端的最大距离），最大空顶距为2.8 m。顶网前端距工作面最小距离为0.8 m，最大距离为1.8 m。顶锚索距工作面最小空顶距为21.8 m，最大空顶距为22.8 m。两侧帮锚上部锚杆支护距迎头最小为5.8 m，最大为6.8 m（掘锚一体机顶锚杆机与帮锚杆机间距为4 个排距），两侧帮锚下部锚杆永久支护滞后上部帮锚6 m。

5 结论

曹家滩煤矿设计并应用巷道快速掘进支护技术，通过技术数据验算表明，选用的支护参数能够满足巷道支护要求，为巷道快速掘进技术实现单月进尺2 020 m 打下了基础，保障了巷道安全顺利施工，技术参数的验算为同类巷道的支护参数的选择提供设计依据。