霍 斌

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

陜西黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦屬于高瓦斯礦井，瓦斯含量較大，開采時(shí)產(chǎn)生的煤塵具有爆炸性，發(fā)火期為58 d。301工作面位于吳兒溝、金盆梁，地表為中-低山林地。工作面煤層頂板相對(duì)隔水層厚度為59～85 m，回采距停采線1 840～1 380 m段時(shí)容易對(duì)工作面涌水量產(chǎn)生影響。工作面地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層屬侏羅系中統(tǒng)延安組，煤層為2號(hào)煤層。煤層層狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層厚度1.9～2.7 m，老頂屬于粉砂巖灰色，以石英長(zhǎng)石為主，泥鈣質(zhì)膠結(jié)；煤層厚度13～15 m，直接頂細(xì)粒砂巖、粉砂巖灰色含植物殘屑化石，含黃鐵礦結(jié)核，泥鈣質(zhì)膠結(jié)厚度2.84～27.21 m，直接底炭質(zhì)泥巖易風(fēng)化破碎，具滑面頂板含油、本煤層瓦斯、底板瓦斯油型氣等多重災(zāi)害影響，此外地質(zhì)構(gòu)造、煤層夾矸和其他隱蔽致災(zāi)因素也給工作面回采帶來(lái)一定影響[1-3]；煤層厚度2.14～4 m，301工作面膠帶巷反掘巷道長(zhǎng)度200 m工程量4 104 m3。為確保301工作面的安全高效開采，301工作面形成時(shí)順槽揭露次一級(jí)背斜構(gòu)造，回采至背斜軸部時(shí)加強(qiáng)頂板支護(hù)。

1 支護(hù)設(shè)計(jì)

301工作面根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r性及煤層厚度、采高等條件，選用雙柱掩護(hù)式支架及其相配套的端頭、過渡支架共175臺(tái)。支架的最大工作阻力為10 800 kN，初撐力為7 912 kN。301工作面膠帶巷反掘臨時(shí)支護(hù)采用前探梁臨時(shí)支護(hù)裝置，永久支護(hù)為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)，膠帶巷反掘永久支護(hù)。

1.1 錨桿布置特征

頂錨桿采用直徑是φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距是800 mm×800 mm/800 mm×1 000 mm，每排安裝7根錨桿，每排兩端頭錨桿與水平方向呈75°夾角，下壓鋼筋托梁，錨固方式采用端部錨固，每根錨桿使用1卷MSK2335和2卷MSZ2360樹脂藥卷，錨桿配合150 mm×150 mm×12 mm鋼托盤。鋼筋托梁采用φ16 mm圓鋼加工，長(zhǎng)度5 000 mm，孔距800 mm。

1.2 錨索布置特征

錨索使用φ21.8 mm×7 300 mm十九芯鋼絞線防腐錨索，采用1 600 mm×1 800 mm的間排距以“一梁四索”的形式布置，每排4根，每排兩側(cè)錨索與水平方向呈75°夾角，錨索梁由T140鋼帶加工，“一梁四孔”，長(zhǎng)度5 000 mm。錨固方式采用端部錨固，每根錨索使用1卷MSK2850和3卷MSZ2850樹脂藥卷，墊片規(guī)格為80 mm×80 mm×10 mm鋼板，具體如圖1所示。

圖1 301工作面頂板布置支護(hù)剖面圖(1∶50)

1.3 采面?zhèn)葞筒垮^桿

采面?zhèn)葞筒垮^桿上下兩根錨桿采用φ22 mm×2 800 mm樹脂錨桿支護(hù)，中間2根錨桿使用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋的鋼錨桿，施工時(shí)每排4根，錨桿的間排距是1 000 mm×900 mm，接近頂板幫錨桿距頂是300 mm，距底板距離是500 mm。錨固的方式使用樹脂進(jìn)行端部錨固，1根錨桿上使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹脂藥卷。這種樹脂錨桿加木托板墊，規(guī)格是400 mm×200 mm×50 mm，木托板橫向安裝；螺紋鋼錨桿加錨桿托盤，規(guī)格為200 mm×200 mm×12 mm。

1.4 煤柱側(cè)幫錨桿

使用φ22 mm×2 800 mm的左旋螺紋鋼錨桿，每排4根錨桿它們的間排距1 000 mm×900 mm，接近頂板幫錨桿距頂300 mm，距底板500 mm。使用樹脂進(jìn)行端部錨固，使用1卷MSK23351卷MSZ2360樹脂藥卷加固每根錨桿，并壓Q235錨桿托盤，規(guī)格為200 mm×200 mm×12 mm。

1.5 頂部采用菱形鐵絲網(wǎng)

菱形鐵絲網(wǎng)規(guī)格為1 100 mm×5 800 mm，橫向鋪設(shè)；采面?zhèn)葞筒坎捎脧?fù)合網(wǎng)，復(fù)合網(wǎng)規(guī)格為1 200 mm×3 600 mm，縱向鋪設(shè)。復(fù)合網(wǎng)使用直徑是φ3 mm尼龍繩進(jìn)行連接，100 mm網(wǎng)片進(jìn)行搭接，聯(lián)網(wǎng)的步距是200 mm；煤柱側(cè)幫部使用直徑是φ6.5 mm冷拔鋼筋網(wǎng)片，2 000 mm×1 000 mm的規(guī)格，網(wǎng)片搭接100 mm，采用14#鐵絲連接，聯(lián)網(wǎng)步距200 mm。301工作面頂板斷面頂板支護(hù)圖，如圖2所示。

圖2 301工作面斷面頂板支護(hù)圖(1∶50)

2 支護(hù)參數(shù)選擇及安全技術(shù)措施

2.1 支護(hù)形式

永久支護(hù)形式為錨網(wǎng)索梁支護(hù)，支護(hù)材料參數(shù)見表1。

2.2 錨桿參數(shù)計(jì)算

錨桿長(zhǎng)度的確定：通過公式(1)、公式(2)進(jìn)行計(jì)算[4-7]。

L=K·H+L1+L2

(1)

(2)

式中：L—錨桿長(zhǎng)度，m；H—冒落拱高度，m；K—安全系數(shù)，取2；L1—錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，取0.6 m；L2—錨桿露出巷道輪廓外的長(zhǎng)度0.12 m；B—巷道掘進(jìn)寬度，取5.4 m；f—巖石堅(jiān)固性系數(shù)，頂板是砂質(zhì)泥巖，取3。計(jì)算得出，L=2×0.9+0.6+0.12=2.52 m，所以2.8 m長(zhǎng)錨桿滿足支護(hù)要求。

表1 支護(hù)材料參數(shù)

錨桿直徑計(jì)算：依據(jù)桿體承載力(P)和拉拔力(Q)等強(qiáng)度原則[8-11]算出錨桿直徑

P=πd2σt/4

(3)

式中：Q—根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨固力拉拔實(shí)踐，取其均值150 kN；σt—桿體材料抗拉強(qiáng)度，取460 MPa；d—錨桿桿體直徑，mm。計(jì)算得出d=20.38 mm，因此直徑φ22 mm錨桿滿足支護(hù)要求。

錨桿間排距計(jì)算：依據(jù)單體錨桿懸吊作用算出錨桿間排距

(4)

式中：Q—錨桿拉拔力，150×103N；K—安全系數(shù)，取2；γ—巖體容重，取28×103N/m3；L2—巷道頂板巖體破碎帶高度，取1.8 m。計(jì)算得a為1 m，按照周邊礦井錨桿間排距取經(jīng)驗(yàn)值0.8 m，滿足小于1 m的要求。

2.3 錨索參數(shù)計(jì)算

錨索長(zhǎng)度：加強(qiáng)錨索長(zhǎng)度校核，必須滿足

L=La+Lb+Lc+Ld

(5)

(6)

式中：L—錨索總長(zhǎng)度，m；La—錨索到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，m；K—安全系數(shù)，取2；d1—錨索直徑，取0.021 8 m；fa—錨索抗拉強(qiáng)度，1 860 N/mm2；fc—錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，24.8 N/mm2；Lb—需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，m；Lc—托板及錨具的厚度，m；Ld—外露張拉長(zhǎng)度，m。計(jì)算得L=0.82+5+0.1+0.2=6.12 m，所以選取7.3 m長(zhǎng)錨索滿足支護(hù)要求。

錨索排距校核：

L≤nF2/[B·H·γ-(2F1sinθ)/L1]

(7)

式中：L—錨索排距，m；B—巷道最大冒落寬度，取7 m；H—巷道最大冒落高度，取2.8 m；γ—巖體容重，取28 kN/m3(包括頂煤+直接頂)；L1—錨桿排距，取0.8 m；F1—錨桿拉拔力，取150 kN；F2—錨索極限承載力，取342 kN；θ—錨桿與巷道頂板的夾角，取75°；n—錨索排數(shù)，取1。計(jì)算得L為1.833 m，所以錨索排距1.8 m滿足支護(hù)要求。

錨索數(shù)目校核：

(8)

W=B×∑h×∑γ×D

(9)

式中：N—錨索數(shù)目，根/m；K—安全系數(shù)，取2；P斷—錨索最低破斷力，取380 kN；W—被懸吊巖石的自重，取209 kN；B—巷道掘進(jìn)荒寬，取5 m；D—錨索間排距，取1.8 m；∑h—懸吊巖石厚度，取0.83 m；∑γ—懸吊巖石平均容重，28 kN/m3。計(jì)算得N為1.1根/m，所以錨索2.2根/m滿足實(shí)際支護(hù)要求。

2.4 支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)要求

強(qiáng)化過程控制：錨桿螺母預(yù)緊要求進(jìn)行三次預(yù)緊(初次錨桿機(jī)緊固，二次扭矩扳手緊固，三次風(fēng)動(dòng)扳手緊固)，并把三次預(yù)緊位置進(jìn)行掛牌管理，使錨桿緊固扭矩達(dá)到300 N·m以上。由驗(yàn)收員對(duì)每班施工錨桿的扭矩用扭矩扳手進(jìn)行檢測(cè)。

頂、幫錨桿采用樹脂錨固劑進(jìn)行端部錨固：要求螺紋鋼錨桿拉拔力不得小于150 kN；樹脂錨桿預(yù)緊力不得小于80 kN；錨索預(yù)緊力不得小于260 kN，拉拔力不得小于380 kN。使用相關(guān)器具進(jìn)行錨桿和錨索拉拔力的測(cè)試，保證錨桿、錨索質(zhì)量符合技術(shù)要求。

2.5 防止冒頂?shù)募夹g(shù)措施

敲幫問頂和圍巖觀測(cè)：迎頭掘進(jìn)設(shè)置專人觀察頂、幫圍巖情況。支護(hù)工作面時(shí)嚴(yán)格按照由外向里的順序進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)時(shí)施工人員應(yīng)面向正頭施工。

巷道巡查：結(jié)合工作面礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析及時(shí)對(duì)礦壓異常區(qū)段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。如果發(fā)生巷道壓力較大、支護(hù)失效等安全隱患，必須當(dāng)班進(jìn)行修護(hù)處理，問題如果沒有進(jìn)行處理，嚴(yán)禁施工。嚴(yán)格按照操作規(guī)程循環(huán)作業(yè)，嚴(yán)禁空頂作業(yè)，如果發(fā)現(xiàn)頂板破碎必須在掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行“一排一支護(hù)”。

地質(zhì)變化時(shí)的補(bǔ)充措施：遭遇地質(zhì)變化帶時(shí)要加強(qiáng)支護(hù)并立刻向生產(chǎn)技術(shù)部門匯報(bào)，如果必要，需及時(shí)補(bǔ)充完善專項(xiàng)安全技術(shù)措施，并嚴(yán)格執(zhí)行。同時(shí)認(rèn)真檢查錨桿拉拔力使其不能低于設(shè)計(jì)要求，而且臨時(shí)支護(hù)必須做到有效承載。幫部支護(hù)不得滯后于要求的支護(hù)距離，圍巖破碎時(shí)，要及時(shí)對(duì)幫部補(bǔ)打錨桿進(jìn)行支護(hù)。

其他措施：錨桿要使用錨桿機(jī)或者強(qiáng)力扳手?jǐn)Q緊，保證錨桿托盤貼緊巷壁。更換巷道時(shí)，必須加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)再拆除原有支護(hù)，拆除支護(hù)后，要及時(shí)拆除掉頂部活矸并且需要架設(shè)永久支護(hù)。開新工作面前，要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定切實(shí)可行的措施，強(qiáng)化開口位置10 m范圍內(nèi)的支護(hù)，交叉巷施工或者穿層巷道時(shí)，要強(qiáng)化巷道、風(fēng)橋下的支護(hù)。臨時(shí)停工要巷道支護(hù)至迎頭，保持正常通風(fēng)，重新開工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行開工檢查，根據(jù)支護(hù)變化采用相應(yīng)技術(shù)措施。

2.6 預(yù)防片幫的技術(shù)措施

預(yù)防片幫應(yīng)在片幫超過200 mm時(shí)先將中線兩側(cè)掘至2 400 mm；片幫不超過200 mm時(shí)將中線兩側(cè)掘至2 500 mm；先進(jìn)行壓力釋放，然后再掘至設(shè)計(jì)寬度2 700 mm。掘進(jìn)完成后進(jìn)行幫部支護(hù)，保證幫部錨桿支護(hù)預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證幫部支護(hù)完成后才可進(jìn)行下一循環(huán)割煤，錨桿支護(hù)不得滯后?？s小循環(huán)步距，逐排掘進(jìn)，逐排支護(hù)。掘進(jìn)前施工護(hù)幫錨桿，控制片幫，當(dāng)由于片幫出現(xiàn)失效錨桿不密貼幫閉現(xiàn)象時(shí)，用白漆標(biāo)出失效錨桿，并在失錨錨桿臨近補(bǔ)打錨桿，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。為防止端墻片幫，采取掘進(jìn)正頭堆煤的方式，綜掘機(jī)截割后，堆煤要呈斜坡狀，防止鏟凈堆煤后端墻裸露懸空面積大，造成片幫事故，待下一循環(huán)開始后截割并鏟凈預(yù)留堆煤。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著礦井的逐步深入開采，煤礦根據(jù)實(shí)際的水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、煤層夾矸和其他隱蔽致災(zāi)因素和工程特點(diǎn)有針對(duì)性的指定頂板支護(hù)方案。通過對(duì)黃陵二號(hào)煤礦301工作面實(shí)際監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)可以滿足生產(chǎn)實(shí)際需要，對(duì)保證煤礦安全生產(chǎn)、礦井巷道實(shí)際安全、加快采掘工作的推進(jìn)，以及提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益起到十分重要的作用。