段計(jì)偉

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

0 引言

在我國(guó)煤礦企業(yè)中，高瓦斯礦井所占的比例較高，煤礦瓦斯事故是造成人員傷亡、資源浪費(fèi)、設(shè)備損毀最為突出的災(zāi)害之一，特別是重特大瓦斯事故給社會(huì)和企業(yè)造成了很大的負(fù)面影響[1-2]。造成瓦斯事故的原因，既有自然因素、技術(shù)因素，也有人為和管理方面的因素。因此，煤礦瓦斯防治工作非常重要，且比較復(fù)雜。

從技術(shù)角度來(lái)講，加大高瓦斯礦井的瓦斯抽采是非常有效的措施，它能夠從根本上控制瓦斯含量，避免爆炸事故的發(fā)生，改善煤礦安全生產(chǎn)情況，提高經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。布置高抽巷作為一種有效進(jìn)行瓦斯抽放的方式，在我國(guó)很多礦區(qū)得到了應(yīng)用。對(duì)高抽巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行了工程實(shí)踐。

1 工程概況

8103高抽巷位于15-2#層，走向長(zhǎng)度1 265 m，地面標(biāo)高1 239～1 279.4 m，工作面標(biāo)高884～904 m，南部為15-2#層北部盤區(qū)巷，東部為15-2#層盤區(qū)8103工作面5103巷(正掘)，西部為15-2#層盤區(qū)8103工作面2103巷(正掘)。

根據(jù)提供地質(zhì)資料情況顯示該地段內(nèi)煤層預(yù)計(jì)厚度為0.45～26.63 m，煤層最多發(fā)育17層夾矸，巖性主要為高嶺巖、炭質(zhì)泥巖和煌斑巖。根據(jù)巷道附近鉆孔資料顯示，從盤區(qū)巷到切巷方向，巷道煤層逐漸增厚。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

支護(hù)材料的選擇：按錨桿支護(hù)加固原理確定錨桿參數(shù)，選取15-2#層8103高抽巷掘進(jìn)寬度為3.6 m，確定錨桿支護(hù)參數(shù)，錨桿長(zhǎng)度具體計(jì)算過(guò)程如下

L=N(1.1+W/10)

(1)

式中：L—錨桿長(zhǎng)度，m；W—巷道跨度，取3.6 m；N—圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)，取1.2 m；L=1.2(1.1+3.6/10)=1.752<2.4 m，故選用2.4 m長(zhǎng)的錨桿即可滿足使用需求。錨桿直徑具體計(jì)算過(guò)程如下

d=L/110=2.4/110=0.021 8 m<22 mm

(2)

故選用直徑為22 mm的錨桿。為了加強(qiáng)支護(hù)效果，選用直徑22 mm，長(zhǎng)度2.4 m的錨桿較合格。

按加固拱原理確定錨桿整體參數(shù)：錨桿整體參數(shù)是指錨桿的長(zhǎng)度、間距和布置方式。一般認(rèn)為，為了發(fā)揮錨桿的支護(hù)效能，錨桿的錨固部分應(yīng)伸入到松動(dòng)圍巖之外的穩(wěn)定巖層中去[5-6]。但根據(jù)錨桿擠壓加固作用的分析，錨桿長(zhǎng)度不一定非要遵循上述原則，只要在錨桿群的作用下，在破碎圍巖中能形成足夠厚的擠壓加固拱，即可起到支護(hù)作用，為了在圍巖中形成一定厚度的加固拱，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)不小于2倍錨桿間距。

即錨桿間距：D≤0.5L=1.2 m

(3)

所以取0.9 m。

按錨桿單體承載，懸吊作用驗(yàn)算：

G=ABCV

(4)

式中：A—錨栓間距，取0.9 m；B—錨栓排距，取0.9 m；C—錨栓錨固巖厚，取1.8 m；V—巖體比重，取2.6 t/m3。故G=0.9×0.9×1.8×2.6=3.790 8 t<8 t，因每根φ22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿實(shí)測(cè)錨固力不小于8 t，所以規(guī)程規(guī)定的排間距布置能滿足使用要求。

頂板壓力估算：根據(jù)設(shè)計(jì)的錨桿長(zhǎng)度2.4 m，直徑22 mm，錨固力每根8 t，按實(shí)際承載力Q不小于8 t計(jì)算，N為驗(yàn)算區(qū)內(nèi)共布置錨桿的數(shù)量，驗(yàn)算區(qū)長(zhǎng)度取3.6 m，4排16根錨桿，錨桿錨固部分下部的軟弱巖石重量為：

Q1=KHDV

(5)

式中：K—驗(yàn)算區(qū)長(zhǎng)度，取3.6 m；D—巷道跨度，取3.6 m；H—軟弱巖層厚度(H=L-L1-L2)；L1—錨桿錨固深度，取0.95 m；L2—錨桿外露長(zhǎng)度，取0.1 m；L—錨桿長(zhǎng)度，取2.4 m；V—懸吊巖層比重，取2.6 t/m3。

Q1=KHDV=3.6×(2.4-0.95-0.1)

×3.6×2.6=45.489 t

Q=8N=8×16=128 t>45.489 t

錨桿錨固形式：頂錨桿采用快速樹(shù)脂藥與中速樹(shù)脂藥配合進(jìn)行錨固。上藥順序?yàn)橄壬弦痪鞬-2335樹(shù)脂藥，再上一卷Z-2360樹(shù)脂藥。

頂錨桿錨固長(zhǎng)度：

=1 675 mm

(6)

式中：L—錨固長(zhǎng)度，mm；L1—樹(shù)脂藥長(zhǎng)度，350+600=950 mm，取950 mm；R—鉆孔半徑，取14 mm；R1—樹(shù)脂藥半徑，11.5 mm；R2—錨桿半徑，11 mm。

三徑合理匹配值：規(guī)范規(guī)定樹(shù)脂錨固劑直徑比鉆孔直徑小4～8 mm為宜。鉆孔直徑應(yīng)比錨桿桿體直徑大6～10 mm。錨桿桿體直徑取22 mm，鉆孔直徑取28 mm，樹(shù)脂藥直徑取23 mm均較為合理。故使用φ22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間距為0.9 m，排距為0.9 m的支護(hù)方式能滿足支護(hù)要求。

2.2 錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到15-2#層地質(zhì)條件復(fù)雜，本巷掘進(jìn)中圍巖裂隙較發(fā)育、弱面較多，為提高頂板支護(hù)可靠程度，利用錨索深懸吊原理對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

錨索長(zhǎng)度的確定：為了加強(qiáng)錨固體的強(qiáng)度，減少煤巖頂板冒落，采用預(yù)應(yīng)力錨索作加強(qiáng)支護(hù)，采用低松弛、高強(qiáng)度鋼絞線，該鋼絞線的最低破斷載荷230 kN，應(yīng)用懸吊理論進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

錨索長(zhǎng)度：L=L1+L2+L3

(7)

式中：L—錨索長(zhǎng)度；L1—錨索外露長(zhǎng)度，取0.25 m；L2—巷道頂板潛在破壞范圍，取2.5 m；L3—錨索伸入穩(wěn)定巖層長(zhǎng)度，按經(jīng)驗(yàn)選取1.5 m。

計(jì)算得：L=0.25+2.5+1.5=4.25 m

結(jié)合施工巷道頂板巖性及煤層厚度，確定錨索長(zhǎng)度為4.5 m，φ17.8 mm。要求錨索在煤層頂板中的錨固長(zhǎng)度不小于1.5 m。如果錨索在穩(wěn)定巖層中的錨固長(zhǎng)度小于1.5 m時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增加錨索長(zhǎng)度。

錨索排數(shù)及錨固力設(shè)計(jì)的確定：錨索根據(jù)《2015-15-2#-05》設(shè)計(jì)確定為2排，排、間距為2 700 mm×1 800 mm，在施工過(guò)程中錨索預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到120 kN。通過(guò)上述關(guān)于錨桿、錨索的支護(hù)論證可知，15-2#層北部盤區(qū)8103高抽巷選用φ22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿和φ17.8 mm×4 500 mm的錨索聯(lián)合支護(hù)可有效地支護(hù)頂板。

3 支護(hù)方式選擇

3.1 永久支護(hù)

頂板采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的形式作為永久支護(hù)。15-2#層8103專排巷選用4 600 mm×1 100 mm的金屬菱形網(wǎng)、φ22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿和φ17.8 mm×4 500 mm的錨索聯(lián)合支護(hù)可有效地支護(hù)頂板。錨索長(zhǎng)度4.5 m，可以控制最大冒落范圍內(nèi)的頂板垮落。同時(shí)在巷道兩肩角處按排距1.8 m，水平夾角75°施工角錨桿，頂錨桿排、間距為900 mm×900 mm，錨索排、間距為2 700 mm×1 800 mm；當(dāng)巷道寬度超過(guò)設(shè)計(jì)寬度0.4 m時(shí)，在頂板超寬處補(bǔ)打錨桿，按排距為0.9 m布置，如施工巷道頂板破碎、有壓力或遇特殊地質(zhì)構(gòu)造時(shí)應(yīng)縮小錨桿及錨索的排、間距，并制定專項(xiàng)措施。

采用炮掘作業(yè)時(shí)，永久支護(hù)緊跟工作面，每次放炮前，錨桿支護(hù)與工作面距離不得大于0.9 m(最小控頂距)；每次放炮后，最大控頂距不得大于最小控頂距加放一茬炮的進(jìn)度(最大控頂距為2.4 m)，且該段距離必須使用臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)使用絲杠前探支護(hù)。夠一個(gè)錨索排距必須先施工錨索，嚴(yán)禁錨索滯后。

采用機(jī)掘作業(yè)時(shí)，永久支護(hù)緊跟工作面，每次割刀前，錨桿支護(hù)與工作面距離不得大于0.9 m(最小控頂距)；每次割刀后，最大控頂距不得大于最小控頂距加一個(gè)截割進(jìn)度0.8 m(最大控頂距為1.7 m)，且該段距離必須使用臨時(shí)支護(hù)。

3.2 臨時(shí)支護(hù)

放炮使用絲杠前探支護(hù)：前探梁采用12#槽鋼，工作面用4根，并備用1根，每根長(zhǎng)為4 m。吊塊用10 mm厚鋼板加工而成。吊塊按尺寸共設(shè)計(jì)3組孔，孔徑為φ20 mm，共用12塊。銷子用高強(qiáng)度的鋼材加工而成，一端加工成堵頭，另一端加工孔徑為φ6 mm的孔，用來(lái)安裝小銷子。小銷子加工成φ5 mm，一端加工成堵頭，并在堵頭上面焊一個(gè)小環(huán)與吊塊用細(xì)軟絲固定，以防滑落。橫梁選用10#槽鋼，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為3.2 m，用4根。將30×30角鋼焊接在10#槽鋼上，作為前探梁的限位擋片。在前探梁后部槽內(nèi)焊一個(gè)鉤環(huán)，備用4根鐵鏈，用于在上下坡時(shí)固定前探梁。打支護(hù)時(shí)將絲杠前探支護(hù)前移，并剎緊，嚴(yán)禁空頂作業(yè)。

掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)臨時(shí)支護(hù)采用機(jī)載前探支護(hù)：掘進(jìn)機(jī)完成截割裝煤作業(yè)后，將截割頭放下，再按下列程序工作：先檢查支護(hù)系統(tǒng)各部位零部件管路是否正常，再打開(kāi)通向臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)油路的操作閥，關(guān)閉另一個(gè)油路。把永久支護(hù)用的鋼帶和頂網(wǎng)放在頂梁架上用磁鐵吸好，向前推動(dòng)支護(hù)主架和頂梁架的液壓控制手柄，這時(shí)主架和頂梁架由折合狀態(tài)慢慢平穩(wěn)打開(kāi)，支護(hù)系統(tǒng)在打開(kāi)時(shí)，副司機(jī)應(yīng)注意觀察支護(hù)系統(tǒng)各關(guān)節(jié)管路是否有不正?，F(xiàn)象，鋼帶、頂網(wǎng)是否有掛卡現(xiàn)象。開(kāi)到所需要的角度和位置再升主架，升到巷道頂板后把鋼帶和頂網(wǎng)壓緊，打眼工就可以在機(jī)載超前支護(hù)下安全的打眼、安裝錨桿。待錨桿支護(hù)、網(wǎng)片連接好后，先把主架下降到最底位置，再折合主架和頂梁架，合到頂梁架完全放在掘進(jìn)機(jī)上為止，關(guān)閉操作閥后再進(jìn)行下一項(xiàng)工作。

3.3 巷道護(hù)幫

巷道掘進(jìn)時(shí)為防止煤壁片幫，采用掛護(hù)幫網(wǎng)支護(hù)方式，采用φ22 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿配套短節(jié)鋼帶固定塑鋼網(wǎng)，排、間距為900 mm×800 mm齊排布置，每排3根，最上一根距頂板0.3 m，水平角為10°，最下一根距底板0.7 m，齊排布置。網(wǎng)采用長(zhǎng)邊順巷方向布置，網(wǎng)與網(wǎng)短邊搭接≥100 mm并用14#鉛絲雙扣扭結(jié)牢固，并將網(wǎng)片與煤幫貼緊，每根錨桿上一卷K2335和Z-2360樹(shù)脂藥，護(hù)幫要求兩幫完整情況下滯后工作面≤5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

從錨桿參數(shù)、錨索參數(shù)、永久支護(hù)方式選擇以及護(hù)幫方式選擇等多個(gè)方面對(duì)8103高抽巷道支護(hù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠很好的滿足工程要求，在實(shí)踐中也取得了良好的支護(hù)效果。