煤矿巷道掘进施工及顶板支护技术研究
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摘 要：以二采区南部变电所为研究对象，对巷道掘进施工参数、巷道支护特别是顶板支护参数进行了详细设计。现场实践结果表明，设计的掘进以及支护参数能够保证巷道掘进速度，实现对巷道顶板围岩的有效控制。
关键词：光面爆破;双楔形;锚网索;支护参数
巷道作为矿井生产的咽喉，承担运输、通风、行人等重要的作用，其安全高效的掘进，关系到整个矿井生产效益[1]。随着我国矿井开采深度的逐渐增大，巷道掘进后之后的支护工作也是一项难题，尤其是顶板支护[2]。如果顶板支护不合理，容易出现冒顶事故，造成人员的伤亡，影响矿井的安全高效生产[3]。因此，巷道的掘进既要选择合理的施工工艺，又要对施工后的支护形式和参数进行合理优化，提高巷道的支护强度，保证巷道安全高效的掘进。
1 工作面概况
某矿二采区南部变电所位于二采区南部，开口于东辅东胶4#联络巷，北端至东部回风巷设计位置，南邻东部辅运巷，距13下05采空区265m。巷道位于矿井-518水平，井下标高-427.1～418.3m。掘进范围内煤岩层总体趋势为东南高、西北低的单斜构造。煤层倾角1～5°，平均2°。巷道掘进过程中将揭露KF255正断层，落差为2.5m。
根据附近岩石巷道施工期间矿压观测资料，预计本巷道掘进期间动压影响区距迎头50m以内，距迎头50m以外为基本稳定区，不受掘进动压影响。部分地质构造带和断层破碎带等应力集中区附近顶板下沉量较大，掘进后需要加强支护，提高巷道顶板稳定性。
2 巷道掘进施工工艺
二采区南部变电所采用光面爆破掘进，自东辅东胶4#联络巷东帮开门，先按90°方位角施工61.3m，迎头过抹角位置约5m后施工抹角，然后拐弯按0°方位角施工69.337m至东部回风巷设计北帮位置后停掘。
2.1 掏槽设计
二采区南部变电所岩层主要由砂岩构成，岩层强度大，因此，采用双楔形掏槽。根据巷道设计断面规格以及炸药等参数确定掏槽眼的参数如表1所示。
在起爆顺序上，一阶掏槽眼为第一段，二阶掏槽眼为第二段，依次起爆。
2.2 爆破参数设计
2.2.1 炮眼数目
二采区南部变电所爆破掘进前需要布置一阶掏槽眼、二阶掏槽眼、辅助眼、周边眼、底眼，根据工作面地质条件，爆破所需的炮眼数量N为：
式中：f-煤层普氏坚固性系数，取10.3;S-巷道掘进的断面面积，取17.9m2。
根据计算可知，每茬炮所需的炮眼49个，依据二采区南部变电所岩层强度大，且光面爆破需要增加周边眼数目，则共需要炮眼数目为76个。其中布置一阶掏槽眼4个、二阶掏槽眼6个、辅助眼32个、周边眼23个、底眼11个。
2.2.2 炸药参数
爆破依次所需要的炸药量Q为：
式中：q-单位体积炸药消耗量，2.25kg/m3;V-没循环爆落的煤实体，17.9×1.5=26.85m3。
根据计算可知，爆破依次所需要的炸药量为60.6kg。采用装药药卷为φ35mm乳环炸药，聚能装置内外径分别为38mm和40mm。
2.2.3 爆破参数
通过对爆破掏槽眼参数、炮眼数目、炸药量合理优化后，得到巷道爆破掘进参数如表2所示。
3 巷道顶板支护
3.1 永久支护
3.1.1 锚杆参数
根据计算，顶板锚杆长度为：
L=KH+L1+L2=2×0.7+0.5+0.1=2m
H=B/2f=5.5/（2×4）≈0.7m
式中：L-顶板锚杆长度，m;K-安全系数，取值2;L1-锚杆锚入稳定岩层的深度，取值0.5m;L2-锚杆在巷道中的外露长度，取值0.1m。B-巷道掘进宽度，取最大值5.5m;F-顶板围岩普氏硬度系数，取值4。
顶板锚杆间排距为：
式中：S-锚杆间排距，m;Q-锚杆设计锚固力，取值150kN;r-被悬吊岩石的重力密度，取值25kN/m3。
顶板锚杆直径为：
式中：σmg-螺纹锚杆抗断强度，取值345MPa。
根据计算可知，二采区南部变电所掘进后选用φ22×2000mm规格的左螺旋锚杆支护。
3.1.2 锚索参数
根据计算，顶板锚索长度为：
L=La+Lb+Lc=2.05+3.3+0.33=5.68m
式中：L-顶板锚索长度，m;La-锚索深入稳定层锚固长度，取值2.05m;Lb- 巷道最大冒落高度，取值3.3m;Lc- 锚索外露长度取值0.33m。
顶板锚索密度为：
式中：N-锚索数目，根/m;W-每米巷道静压力，kN;P-锚索最低破断了，取值280kN;-悬吊岩层高度，m;-悬吊岩层容重，取值25kN/m3。
根据计算可知，二采区南部变电所掘进后选用φ22×6000mm规格钢绞线支护，锚索采用2-1-2交错布置，适当加大排距，每隔一排增加一根锚索。
3.2 特殊支护
巷道掘进后由于地质条件的影响，当遇到围岩裂隙发育、顶板破碎区域时或巷道过断层时，巷道稳定性差，应当对巷道进行特殊加强支护，提高巷道稳定性。
①二采區南部变电所与东辅东胶4#联络巷交岔口5m范围内锚索加强支护：二采区南部变电所施工三列Φ22×6000mm锚索加强支护，锚索间排距1500×1600mm;东辅东胶4#联络巷施工两列Φ22×6000mm锚索加强支护，锚索间排距1500×1600mm;②二采区南部变电所拐弯5m范围内锚索加强支护：二采区南部变电所90°方位角施工段施工三列Φ22×6000mm锚索加强支护，锚索间排距1500×1600mm;二采区南部变电所0°方位角施工段施工两列Φ22×6000mm锚索加强支护，锚索间排距1500×1600mm。
4 结论
①某矿二采区南部变电所采用光面爆破掘进，分析了双楔形掏槽水平孔距、垂直孔距、炮眼深度和角度，并通过计算得出了爆破共需要炮眼数目以及炸药量，推出了巷道爆破掘进参数;
②由于巷道掘进后顶帮受动压影响，在距迎头50m范围内顶板下沉量大，需要对巷道顶板采用锚网索支护形式进行加强支护，计算得到了巷道支护锚杆长度、间排距、直径，锚索长度和密度，推出了巷道顶板支护参数，实现了对巷道顶板围岩的有效控制。
参考文献：
[1]冯刚.复杂地质条件下巷道顶板支护技术分析[J].陕西煤炭，2018，37（04）：140-141+150.
[2]张荣，张金山.大断面巷道支护参数优化及模拟研究[J].煤炭与化工，2017，40（09）：39-43.
[3]王拓，常聚才，张兵，苏亚峰.深井坚硬顶板回采巷道锚网索支护技术研究[J].煤炭工程，2016，48（07）：50-52.
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