煤礦巷道掘進施工及頂板支護技術

巷道作為礦井生產的咽喉，承擔運輸、通風、行人等重要的作用，其安全高效的掘進，關系到整個礦井生產效益[1]。隨著我國礦井開采深度的逐漸增大，巷道掘進后之后的支護工作也是一項難題，尤其是頂板支護[2]。如果頂板支護不合理，容易出現冒頂事故，造成人員的傷亡，影響礦井的安全高效生產[3]。因此，巷道的掘進既要選擇合理的施工工藝，又要對施工后的支護形式和參數進行合理優化，提高巷道的支護強度，保證巷道安全高效的掘進。
　　1 工作面概況
　　某礦二采區南部變電所位于二采區南部，開口于東輔東膠4#聯絡巷，北端至東部回風巷設計位置，南鄰東部輔運巷，距13下05采空區265m。巷道位于礦井-518水平，井下標高-427.1～418.3m。掘進范圍內煤巖層總體趨勢為東南高、西北低的單斜構造。煤層傾角1～5°，平均2°。巷道掘進過程中將揭露KF255正斷層，落差為2.5m。
　　根據附近巖石巷道施工期間礦壓觀測資料，預計本巷道掘進期間動壓影響區距迎頭50m以內，距迎頭50m以外為基本穩定區，不受掘進動壓影響。部分地質構造帶和斷層破碎帶等應力集中區附近頂板下沉量較大，掘進后需要加強支護，提高巷道頂板穩定性。
　　2 巷道掘進施工工藝
　　二采區南部變電所采用光面爆破掘進，自東輔東膠4#聯絡巷東幫開門，先按90°方位角施工61.3m，迎頭過抹角位置約5m后施工抹角，然后拐彎按0°方位角施工69.337m至東部回風巷設計北幫位置后停掘。
　　2.1 掏槽設計
　　二采區南部變電所巖層主要由砂巖構成，巖層強度大，因此，采用雙楔形掏槽。根據巷道設計斷面規格以及炸藥等參數確定掏槽眼的參數如表1所示。
　　在起爆順序上，一階掏槽眼為第一段，二階掏槽眼為第二段，依次起爆。
　　2.2 爆破參數設計
　　2.2.1 炮眼數目
　　二采區南部變電所爆破掘進前需要布置一階掏槽眼、二階掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底眼，根據工作面地質條件，爆破所需的炮眼數量N為：
　　式中：f-煤層普氏堅固性系數，取10.3;S-巷道掘進的斷面面積，取17.9m2。
　　根據計算可知，每茬炮所需的炮眼49個，依據二采區南部變電所巖層強度大，且光面爆破需要增加周邊眼數目，則共需要炮眼數目為76個。其中布置一階掏槽眼4個、二階掏槽眼6個、輔助眼32個、周邊眼23個、底眼11個。
　　2.2.2 炸藥參數
　　爆破依次所需要的炸藥量Q為：
　　式中：q-單位體積炸藥消耗量，2.25kg/m3;V-沒循環爆落的煤實體，17.9×1.5=26.85m3。
　　根據計算可知，爆破依次所需要的炸藥量為60.6kg。采用裝藥藥卷為φ35mm乳環炸藥，聚能裝置內外徑分別為38mm和40mm。
　　2.2.3 爆破參數
　　通過對爆破掏槽眼參數、炮眼數目、炸藥量合理優化后，得到巷道爆破掘進參數如表2所示。
　　3 巷道頂板支護
　　3.1 永久支護
　　3.1.1 錨桿參數
　　根據計算，頂板錨桿長度為：
　　L=KH+L1+L2=2×0.7+0.5+0.1=2m
　　H=B/2f=5.5/（2×4）≈0.7m
　　式中：L-頂板錨桿長度，m;K-安全系數，取值2;L1-錨桿錨入穩定巖層的深度，取值0.5m;L2-錨桿在巷道中的外露長度，取值0.1m。B-巷道掘進寬度，取最大值5.5m;F-頂板圍巖普氏硬度系數，取值4。
　　頂板錨桿間排距為：
　　式中：S-錨桿間排距，m;Q-錨桿設計錨固力，取值150kN;r-被懸吊巖石的重力密度，取值25kN/m3。
　　頂板錨桿直徑為：
　　式中：σmg-螺紋錨桿抗斷強度，取值345MPa。
　　根據計算可知，二采區南部變電所掘進后選用φ22×2000mm規格的左螺旋錨桿支護。
　　3.1.2 錨索參數
　　根據計算，頂板錨索長度為：
　　L=La+Lb+Lc=2.05+3.3+0.33=5.68m
　　式中：L-頂板錨索長度，m;La-錨索深入穩定層錨固長度，取值2.05m;Lb- 巷道最大冒落高度，取值3.3m;Lc- 錨索外露長度取值0.33m。
　　頂板錨索密度為：
　　式中：N-錨索數目，根/m;W-每米巷道靜壓力，kN;P-錨索最低破斷了，取值280kN;-懸吊巖層高度，m;-懸吊巖層容重，取值25kN/m3。
　　根據計算可知，二采區南部變電所掘進后選用φ22×6000mm規格鋼絞線支護，錨索采用2-1-2交錯布置，適當加大排距，每隔一排增加一根錨索。
　　3.2 特殊支護
　　巷道掘進后由于地質條件的影響，當遇到圍巖裂隙發育、頂板破碎區域時或巷道過斷層時，巷道穩定性差，應當對巷道進行特殊加強支護，提高巷道穩定性。
　　①二采區南部變電所與東輔東膠4#聯絡巷交岔口5m范圍內錨索加強支護：二采區南部變電所施工三列Φ22×6000mm錨索加強支護，錨索間排距1500×1600mm;東輔東膠4#聯絡巷施工兩列Φ22×6000mm錨索加強支護，錨索間排距1500×1600mm;②二采區南部變電所拐彎5m范圍內錨索加強支護：二采區南部變電所90°方位角施工段施工三列Φ22×6000mm錨索加強支護，錨索間排距1500×1600mm;二采區南部變電所0°方位角施工段施工兩列Φ22×6000mm錨索加強支護，錨索間排距1500×1600mm。
　　4 結論
　　①某礦二采區南部變電所采用光面爆破掘進，分析了雙楔形掏槽水平孔距、垂直孔距、炮眼深度和角度，并通過計算得出了爆破共需要炮眼數目以及炸藥量，推出了巷道爆破掘進參數;
　?、谟捎谙锏谰蜻M后頂幫受動壓影響，在距迎頭50m范圍內頂板下沉量大，需要對巷道頂板采用錨網索支護形式進行加強支護，計算得到了巷道支護錨桿長度、間排距、直徑，錨索長度和密度，推出了巷道頂板支護參數，實現了對巷道頂板圍巖的有效控制。