西铭矿48703 工作面支护技术的研究

王树峰

（西山煤电股份有限公司西铭矿， 山西 太原 030052）

引言

随着地质赋存条件简单的煤炭资源逐渐枯竭，转向开采地质赋存条件较为复杂的煤层，由于受到矿山压力和工作面推进影响，工作面巷道围岩完整性受到破坏，变形较为严重，需针对具体的工作面地质环境进行巷道支护技术研究[1-2]。

现阶段，许多研究学者针对巷道支护技术进行了大量研究。张琪[3]分析得到巷道两帮围岩破坏不大及顶底板完整，优化了支护参数，减小了支护强度；王文才[4]采用FLAC3D 及正交试验法优化了巷道支护参数，取得了良好的效果；张科[5]针对郭庄煤矿大断面全煤巷道，分析了巷道围岩破坏特征，优化了锚杆及锚索间距。本文针对西铭矿48703 工作面顶底板具体地质条件进行支护技术研究。

1 工程概况

西铭矿48703 工作面井下位于北七采区右翼。北邻随老母断层，间距5～15 m；南邻北七右翼回风巷；西邻48705 工作面采空区，东邻实煤区，工作面布置如图1 所示。工作面上覆2 号煤、3 号煤均已回采，北部上覆2 号煤局部为巨成矿小窑所采，8 号煤与2 号煤层间距94 m 左右，与3 号煤层间距67 m左右。该面所掘8 号煤层节理发育，结构复杂。煤层上部夹石为1.50～3.40 m，平均2.45 m 的页岩或砂质页岩。8 号煤上分层厚度0.50～0.70 m，平均0.63 m；下分层厚度2.90～3.20 m，平均3.10 m，厚度变化不大，属单一稳定的中厚煤层。顶底板岩层岩性如表1所示。

该工作面所采煤层经鉴定属于有煤尘爆炸性，爆炸性指数为17.81%，自燃倾向性为Ⅱ级，属自燃煤层。根据相邻的工作面瓦斯涌出量资料，预测48703 辅助回风巷工作面掘进期间瓦斯绝对涌出量为2 m3/min。

图1 工作面布置图

表1 煤层顶底板情况表

2 巷道布置

西铭矿48703 辅助进风巷掘进8 号煤层，地面标高1 250～1 446 m，工作面标高1 012～1 070 m。48703 辅助进风巷，巷道布置在48703 工作面的东侧与转运巷联通后，按155°方位角掘进1 352 m。48703 辅助进风巷用于48703 工作面回采期间的辅助进风，设计长度1 536 m，回风巷301 m，回风贯眼39 m。巷道沿8 号煤顶板掘进。根据相邻工作面巷道掘进经验及本工作面巷道的使用功能，确定巷道采用矩形断面，断面尺寸为净宽4.8 m，净高3.8 m，净断面18.24 m2。

3 巷道永久支护的设计

由相似工作面地质条件巷道所采取的支护经验，西铭矿48703 辅助进风巷采用锚杆+锚网索联合支护方式。

3.1 顶锚杆参数的计算

3.1.1 顶锚杆长度的计算

式中：H为软弱岩层厚度，取0.6 m；K为安全系数，取2；L1为锚杆外露长度，取0.1 m；L2为锚杆锚入坚固稳定岩层的深度，取0.3 m；L为顶锚杆的长度。

带入计算公式可得L=1.6 m，根据相似工作面支护经验，顶锚杆长度取1.8 m。

3.1.2 顶锚杆直径的计算

顶锚杆直径确定可由下式计算得到：

式中：σt为杆体材料抗拉强度，取490 MPa；d为锚杆杆体直径，mm；Q为锚固力，取105 kN。

带入计算公式可得d=16.44 mm，根据相似工作面支护经验，顶锚杆直径取20 mm。

3.1.3 顶锚杆间排距的计算

式中：γ 为岩体的容重，取23.5 kN/m3；a为锚杆的间距。

带入计算公式可得a=1.86 m，根据相似工作面支护经验，顶锚杆间排距取1 500 mm×1 500 mm。

综上，顶锚杆采用间排距为1 500 mm×1 500 mm，七花形布置，Φ20×1 800 螺纹钢锚杆支护。

3.2 帮锚杆参数的计算

3.2.1 帮锚杆长度的计算

式中：φ 为两帮似内磨擦角，取65°；h为煤帮上排锚杆至底板高度，取3.3 m；L3为片帮最大深度。

带入计算公式可得L3=1.63 mm，根据相似工作面支护经验，顶锚杆长度取1.8 m。

3.2.2 帮锚杆间排距的计算

式中：rc为8 号煤的容重，取1.42 t/m3；qc为两帮侧压力；h0为锚杆锚入煤巷深度，取1.7 m；h'为掘进巷道高度，取3.8 m。

带入计算公式可得qc=0.95 t/m，根据相似工作面支护经验，帮锚杆间排距取1 500 mm×1 400 mm，呈矩形布置，三排，上排距顶0.3 m，下排距底板0.7 m。设计锚固力为5 t/根，现场实际支护密度采取4 t/根，单侧煤帮实际支护强度为10 t/m，可以保障支护要求。

3.3 锚索补强的计算

3.3.1 锚索长度的计算

式中：L5为锚索外露长度，取0.35 mm；L6为上托盘厚度，取0.2 m；L7为悬吊不稳定岩层厚度，取2 m；L8为锚索锚固长度，取2 m；L4为锚索的总长度。

带入计算公式可得L4=4.55 mm，根据相似工作面支护经验，锚索长度取5.4 m。

3.3.2 锚索间排距的计算

式中：F1为锚索设计锚固力，取70 kN；c为锚杆排距，取1.5 m；θ 为角锚杆与巷道的夹角，75°；B为巷道最大冒落宽度，取4.8 m；F2为单根锚索极限破断力，取355 kN；H' 为巷道最大冒落高度，取2.4 m；n为锚杆排数，取2 排；b为锚索的排距。

代入可得b=3.93 m，根据相似工作面支护经验，取锚索间排距2.0 m×2.4 m，两排矩形布置，满足支护要求。

4 巷道临时支护的设计

4.1 临时支护的目的

在掘进巷道中，临时支护能有效控制顶板，暂时维护围岩稳定和杜绝顶板事故的发生，保证掘进工作面在巷道支护的过程中不在空顶下作业，保障作业人员施工的安全和作业地点的安全。

4.2 临时支护的使用

临时支护采用掘锚护一体机锚护部做临时支护，具体参数如表2 所示，施工完成一个循环之后，将临时支护升起，进行锚杆+锚索永久支护，然后进行下一循环（由于巷道断面过宽，超出机载临时支护有效支护宽度，所以打锚杆支护时要先在有临时支护下进行，结束一面后移动掘进机至另一面，将临时支护升起接顶进行锚杆支护）。工作面循环进度为3 m，工作面最大控顶距为3.4 m，最小控顶距为0.4 m。

表2 锚护部参数

5 工业试验

48703 辅助进风巷采用如上支护技术方案进行支护工作，为研究以上方案参数的合理性及巷道围岩的变形量，在巷道每隔30 m 设置一个测站，分别记录巷道两帮及顶底板变形量。

由下页图2 可知，在工作面回采期间，两帮移近量稳定在115 mm，顶底板移近量稳定在55 mm，完全可以保证巷道的安全稳定，保障工作面的正常回采需求。

图2 巷道变形量

6 结论

根据巷道布置以及煤层赋存情况，设计巷道均采用矩形断面，断面尺寸为4.8 m×3.8 m；根据相似巷道支护经验选用锚杆+锚索联合支护方式，并理论计算了锚杆锚索参数，顶锚杆采用间排距为1 500 mm×1 500 mm、Φ20×1 800 螺纹钢锚杆支护；帮锚杆采用间排距为1 500 mm×1 400 mm、Φ20 mm×1 800 螺纹钢锚杆支护；锚索采用直径为17.8 mm，长度为5 400 mm 的高强度预应力钢绞线，锚索间排距为2 000 mm×2 400 mm；最后通过现场工作面实际应用变形量监测，证明此支护方案可以保证48703 辅助进风巷的安全稳定。