48712 工作面巷道支护的设计与应用

刘 威

（西山煤电集团股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

1 瓦斯治理巷工程概况

瓦斯治理巷位于北七采区右翼,西邻48710 采空区，东邻48712 回风顺槽。南邻北七右翼集中巷；北邻随老母断层。瓦斯治理巷设计长度为710 m。

1）井上位置工作面地表位于马矢山村东侧、东南方是大脑上村，位于随老母断层南侧、莲叶塔村北侧；地表为山谷地形，沟谷纵横；工作面煤层顶板到地面的垂直厚度203～328 m，平均煤层顶板到地面的垂直厚度265 m 左右。

2）井下位置工作面井下位置东侧是北七采区。东起48712 工作面（已形成）切眼，西至48706 工作面（已形成）单轨吊巷，在实煤区南侧，西南部相邻8号煤48710、48708 采空区。西铭矿西七盘区工作面开采了48712 工作面上覆2 号煤，同时，也有一部分煤被西铭乡小窑开采，2 号煤层与8 号煤层之间相隔距离大概是94 m。首先施工48712 切眼联络巷，从切眼开口沿8 号煤以254°59′56″方位施工15 m；以344°59′56″方位开口施工瓦斯治理巷掘进50 m，以10°下山掘进50 m 穿层进入9 号煤；沿9号煤掘进57 m 后再以273°41′22″方位掘进266 m，后以10°上山穿层掘进55 m，进入8 号煤，沿8号煤施工232 m 后与48706 单轨吊巷贯通。

2 巷道断面设计

48712 瓦斯治理巷为工作面瓦斯治理巷道。巷道沿8 号、9 号煤施工时选用矩形断面，宽4.0 m，高3.6 m。巷道穿层施工时选用梯形断面，上宽3.9 m，下宽4.85 m，高3.2 m，可满足通风要求。

1）瓦斯治理巷掘进机最大宽度为2.9 m，巷帮和掘进机安全间隙0.8 m。

以上参数确定瓦斯治理巷沿8 号煤施工时掘进宽度为：设备宽度（2.9 m）+巷帮和掘进机安全间隙（0.8 m）=3.7 m。

所以巷道毛宽4.0 m，净宽3.9 m。

瓦斯治理巷设计高度为3.5 m，为保证掘进机临时支护能正常升起，故瓦斯治理巷设计高度为3.6 m。

2）按最小断面风速进行验算：

式中：Q巷为局部通风机实际吸风量，取600 m3/min；S掘为掘进断面，取14 m2。

将相应数据代入式（1）得：V巷=42.857 m/min=0.71 m/s。

由于0.25＜0.71＜4，故巷道断面设计合理。

3）根据以上参数确定：瓦斯治理巷沿8 号煤及9号煤施工时掘进毛宽4.0 m,毛高3.6 m，毛断面积14.4 m2；净宽3.9 m，净高3.55 m，净断面积13.84 m2。

4）根据以上参数确定：瓦斯治理巷穿层施工时采用架棚支护，掘进毛上宽3.9 m，毛下宽4.9 m，毛高3.4 m，毛断面积14.96 m2；净上宽3.5 m，净下宽4.6 m，净高3.0 m，净断面积12.96 m2。

3 巷道支护设计

3.1 支护形式

该工作面沿8 号煤顶板掘进时，顶、帮采用螺纹钢锚杆“一掘一锚”支护；当该工作面遇断层、陷落柱等地质构造时，陷落柱伴生断层对煤层的破坏性大，同时容易产生安全事故，需要选择架棚支护及类似稳定的支护形式，并制定专项安全技术措施。

1）瓦斯治理巷沿8 号煤石灰岩顶板掘进时，顶板采用“锚杆（Φ20 mm×1 800 mm）+锚索+金属网”联合支护形式，沿煤层顶板矩形布置，同一排锚杆之间的间距和两排锚杆之间的间距即锚杆间排距1 200 mm、1 500 mm，锚索规格Φ17.8 mm×5 400 mm，两排锚索之间花形布置，间排距3.0 m、1.5 m；

两帮采用“锚杆（Φ20 mm×1 800 mm）+锚索+金属网”联合支护形式，沿煤层顶板矩形布置。同一排锚杆之间的间距和两排锚杆之间的间距即锚杆间排距1 500 mm、1 300 mm，锚杆之间矩形布置，最上排锚杆距煤层顶板之间的距离为300 mm。左侧护帮锚索Φ17.8 mm×3 000 mm，锚索之间矩形布置，间距3.0 m、排距1.5 m。

2）瓦斯治理巷穿层掘进时，煤层采用架棚支护形式，其中棚梁长380 cm，棚腿长340 cm，材质选择使用11 号矿用工字钢，构顶、攀帮、撑木分别为6、6、4 根。工字钢棚距60 cm。

3.2 巷道支护参数

瓦斯治理巷沿石灰岩顶板掘进支护计算。

锚杆支护设计主要确定的数值包括巷帮破坏深度C，煤层顶板破坏高度b、煤层顶板载荷集度Qr，巷帮载荷集度Qs，以及锚杆支护的参数。

3.2.1 巷道两帮破坏深度C 的确定

式 中：Kσ为应力集中系数，Kσ=Ks×Ka=2.3 ×1.27=2.921，其中Ks为应力集中系数，关系到巷道断面形状，经验值取2.3；Ka为临近工作面开采区对目标开采区影响的系数，由式（3）确定：

式中：X 为煤柱实际宽度，取15 m；σrm为老顶单向抗压强度，取70 MPa；h 为采高，取4.2 m；hi为直接顶厚度，平均2.81 m；σcc为被巷道切割的煤层单一方向所能承受压力强度，取16 MPa；γ 为巷道上被岩石覆盖的煤层的平均容重，经验值取25 kN/m3；H 为巷道埋深，取328 m；α 为煤层倾角，取5°；hc为煤层受到巷道切割后的厚度，取4.2 m；l 为煤层受到巷道切割后的最大宽度，取4.0 m；μ 为煤层泊松比，在有实测值的情况下，用实测值，在无实测值情况下，选经验值0.45；Φ 为煤层内摩擦角（°），

将上述数据代入式（2）得：C=0.43 m。

3.2.2 巷道顶板破坏高度b 的确定

许江等［18］以红皮红心、绿皮红心、红皮白心和白皮白心4种不同肉质颜色的32份萝卜品种为试材，镜检观测不同颜色肉质萝卜的核型。分析结果表明，不同颜色肉质萝卜具有相同的染色体数目，染色体结构均较对称，多数染色体为中部着丝点染色体，染色体长度差异不明显，都没有随体。所有材料的对称性都较强，说明它们属于进化上比较原始的类型，但白色肉质萝卜相对红色肉质萝卜具有更强的对称性。从核型上分析，红色肉质萝卜比白色肉质萝卜进化程度更高。

对于顶板为均质岩层，b 由式（4）确定：

式中：a 为悬臂岩层的半跨距，2.0 m；C 为巷道两帮破坏深度，0.43 m；λ 为考虑来自水平方向压力的巷道侧压系数，取0.818；Ky为顶板岩层完整系数，与岩层裂缝、煤层分层厚度与煤层承受强度等因素有关，，其中D1为节理间距，取0.3 m；D2为分层厚度，取0.2 m；σcr为顶板岩层抗压强度，取70 MPa。

将上述数据代入得：b=0.81。

3.2.3 煤层顶板载荷集度Qr的确定

将相关数据代入式（5）得：Qr=126 kN/m。

3.2.4 巷帮载荷集度Qs的确定

两帮均为煤层时巷帮载荷集度：

将相关数据代入式（6）得：Qs=33 kN/m。

1）因为煤层顶板破坏高度范围在0.3～1.5 m 之间，所以选择下面方法确定顶锚杆的长度：

式中：Δ 为锚杆暴露在外面的长度与锚杆固定部分的长度之和，锚杆暴露在外面的长度取0.1 m，锚入稳定岩层的锚杆固定部分的长度取0.8 m。

将相关数据代入式（7）得：Lbr=1.71 m，根据相邻工作面施工经验取1.8 m。

2）帮锚杆长度：由于0.3＜C＜1.5 m，选择下面方法确定帮锚杆的长度：

式中：Δ 为锚杆暴露在外面的长度与锚杆固定部分的长度之和，锚杆暴露在外面的长度取0.1 m，锚入稳定岩层的锚杆固定部分的长度取1.0 m。

将相关数据代入式（8）得：Lbr'=1.53 m，根据相邻工作面施工经验取1.8 m。

3.2.6 锚杆参数计算

顶锚杆选用MSGLW-335/20×1800 型左旋无纵肋螺纹钢锚杆，帮锚杆选用MSGLW-335/20×1800 型左旋无纵肋螺纹钢锚杆，以锚杆的屈服力105 kN 计算锚杆参数。

1）锚杆杆体直径d，根据锚杆承受压力与锚杆固定部分承受强度原则确定。

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

将上述数据代入式（9）得：d=16.44 mm，取20 mm。

2）顶锚杆排距Dr：

式中：Pr为锚杆锚固力，取105 kN；K 为安全系数，取1。

将相关数据代入式（10）得Dr=2.0 m。通过以上计算及锚杆使用的经验，瓦斯治理巷取1.5 m。

3）每排顶锚杆根数N：

式中：K 为安全系数，取1；Qr为顶板载荷集度，Qr=126 kN/m；Dr为锚杆排距，取1.5m；Pr为锚杆锚固力，取105 kN。

将相关数据代入式（11）得N=1.8 根。为增加顶板的支护强度，根据相邻工作面支护经验，瓦斯治理巷掘进时取4 根。

4）每排帮锚杆根数：

式中：K 为安全系数，取2；Qs为两帮载荷集度，取33 kN/m；Ds为锚杆排距，取1.5 m；Ps为帮锚杆锚固力，取105 kN。

将相关数据代入式（12）得N'=0.94 根。根据经验，瓦斯治理巷取3 根。

经计算及结合西铭矿相邻工作面支护经验，瓦斯治理巷顶锚杆的间排距确定为1.2 m、1.5 m，矩形布置，能满足支护的要求。帮锚杆的间、排距确定为1.5 m、1.3 m，能满足支护的要求。

3.2.7 验算支护强度

根据锚杆的设计锚固力，顶锚杆设计锚固力Q为90 kN，帮锚杆设计锚固力Ps为50 kN，验算支护强度。

1）锚杆杆体直径d：根据锚杆承受压力与锚杆固定部分承受强度原则进行验算。将相应数据代入式（9）得：d=15.22 mm，取20 mm。

2）顶锚杆排距Dr：将相应数据代入式（10）得：Dr=1.82 m。通过以上验算，瓦斯治理巷取1.5 m，能满足支护的要求。

3）每排顶锚杆根数N：将相应数据代入式（11）得：N=2.1 根。通过以上验算，瓦斯治理巷掘进时取4根，能满足支护的要求。

4）每排帮锚杆根数：将相应数据代入式（12）得：N'=1.98 根。根据经验，瓦斯治理巷取3 根能满足支护的要求。

经计算及结合西铭矿相邻工作面支护经验，瓦斯治理巷顶锚杆的间、排距确定为1.2 m、1.5 m，矩形布置，能满足支护的要求。帮锚杆的间、排距确定为1.5 m、1.3 m，能满足支护的要求[1-3]。

4 结语

锚杆、锚索和金属网联合支护有利于治理回采期间的瓦斯，保证了48712 工作面的生产安全。锚杆、锚索和金属网联合支护在回采结束后能够长期保持支护状态，提高回采工人的工作效率，减少支护成本，提高瓦斯治理巷断面的利用效率，增加煤矿企业收益，为矿井安全生产做出贡献。