一、基本條件
礦井位于山西省忻州市，首采工作面開采5號(hào)煤層，5號(hào)煤層賦存于石炭系上統(tǒng)太原組下部，是井田的最下一層主要可采煤層，煤厚4.60～13.90m，平均10.50m，屬特厚煤層，煤層傾角25o～35o，含1～2層夾矸，頂板巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖或細(xì)粒砂巖，全井田可采。
首采工作面煤層厚度平均10.5m，煤層傾角平均30°，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，5號(hào)煤容重平均1.395t/m3，硬度系數(shù)0.15~0.19，平均0.17；煤層直接頂板為一層2.3m左右的灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度69.04MPa，其上為一層7.7m左右的砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度28.88MPa，直接底板巖層砂質(zhì)泥巖厚度10.2m，抗壓強(qiáng)度平均24.13MPa。
礦井為低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，5號(hào)煤層屬Ⅱ級(jí)自燃煤層，發(fā)火期4～6月。礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)能120萬(wàn)t/a，一井一面達(dá)產(chǎn)，工作面設(shè)計(jì)采用綜放開采，采高2.6m，放煤高度7.9m，采放比1:3，設(shè)計(jì)截深0.6m，放煤步距1.2m，兩刀一放。
礦井首采面采用傾斜-圓弧過(guò)渡-水平的布置方式，工作面上順槽巷道沿煤層底板布置，下順槽巷道沿煤層頂板布置。
二、支護(hù)設(shè)計(jì)原則
針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，結(jié)合國(guó)內(nèi)知名專家提出的支護(hù)理念，提出以下設(shè)計(jì)原則：
⑴一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。
⑵高預(yù)應(yīng)力原則。高預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)的關(guān)鍵，只有較高的預(yù)應(yīng)力才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用，才能提高錨桿和托板等組成的錨固體的整體剛度與強(qiáng)度。
⑶“三高一低”原則。采用高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性錨桿與低支護(hù)密度相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)在保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，降低錨桿使用量，提高掘進(jìn)速度。
⑷相互匹配原則。錨桿及其配套的各構(gòu)件的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)當(dāng)匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)當(dāng)匹配，以利于整體支護(hù)效能的發(fā)揮。
⑸可操作性原則。支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有較強(qiáng)的可操作性，以利于現(xiàn)場(chǎng)施工及管理。
三、巷道斷面及形狀
1）上順槽巷道
由于煤層較軟，現(xiàn)場(chǎng)采用半圓拱形斷面時(shí)，綜掘機(jī)一次成形困難，且支護(hù)要求最右側(cè)錨索必須達(dá)到13m以上才能錨固到頂板巖層范圍，軟煤施工困難；后續(xù)工作面回采時(shí)超前支護(hù)較困難，在綜合考慮礦方意見和梯形斷面（套棚）方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)先采用梯形斷面（套棚）方案。
礦方采用柴油動(dòng)力單軌吊，要求寬度1800mm（包括安全間隙），考慮掘進(jìn)期間的皮帶安裝架1800mm，皮帶與巷邊500mm安全間隙，則梯形巷道中寬（凈寬）為1800+1800+500=4100mm。單軌吊安裝要求巷道凈高不低于3200mm，按棚腿角度80°考慮，據(jù)此確定上寬（凈寬）為3500mm，下寬（凈寬）為4700mm?？紤]到軟煤體變形和套棚的要求，巷道毛高確定為3500mm，按棚子寬度200mm進(jìn)行考慮，據(jù)此確定梯形斷面毛寬上寬3900mm，毛寬下寬5100mm。
由此確定上順槽梯形斷面（套棚）巷道掘進(jìn)毛斷面上寬3900mm，下寬5100mm，毛高3500mm，掘進(jìn)斷面15.75m2。
2）下順槽巷道
下順槽為運(yùn)輸順槽，考慮到煤層傾角30°，且下順槽沿頂板布置，下順槽斷面優(yōu)先設(shè)計(jì)為矩形斷面，其次為異形斷面。其中矩形斷面考慮破頂、留頂煤兩種方案。在礦井進(jìn)行的探巷掘進(jìn)過(guò)程中沿頂板進(jìn)行，由于煤層較軟，發(fā)現(xiàn)留頂煤困難。下順槽巷道斷面只能考慮破頂矩形和不留頂煤異形兩種斷面。
若下順槽巷道采用異形斷面，按安裝單軌吊和正常生產(chǎn)時(shí)鋪設(shè)皮帶等要求，巷道毛寬4700mm，按30°傾角考慮，則矮幫至少為1800mm，高幫達(dá)到4300mm，高幫為靠近工作面?zhèn)龋F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)將十分困難，且超前支護(hù)較難解決，而采用破頂留設(shè)矩形斷面，雖然掘進(jìn)期間直接頂較硬，破巖成本相對(duì)較高，但后期工作面期間的超前管理變得簡(jiǎn)單，且支護(hù)容易，綜合分析認(rèn)為采用破頂矩形斷面設(shè)計(jì)最佳。
確定下順槽矩形斷面巷道掘進(jìn)毛寬4700mm，毛高3500mm，掘進(jìn)斷面16.45m2。
3）工作面切眼
根據(jù)配套要求，開切眼設(shè)計(jì)斷面為矩形，毛寬8.2m，毛高2.8m。分兩次掘進(jìn)，第一次掘進(jìn)毛寬4.5m，第二次擴(kuò)幫至設(shè)計(jì)斷面。
四、支護(hù)方案
4.1上順槽支護(hù)方案
1）頂板支護(hù)
⑴錨桿形式和規(guī)格：桿體為Φ22mm左旋無(wú)縱筋500號(hào)螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.5m，桿尾螺紋為M24，螺紋長(zhǎng)度150mm，配高強(qiáng)度螺母。
⑵錨固方式：樹脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為CK2340，另一支規(guī)格為Z2388。鉆孔直徑為30mm，錨固長(zhǎng)度為1200mm。
⑶鋼帶規(guī)格：采用W型鋼帶，厚度5mm，寬280mm。當(dāng)頂板在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)較嚴(yán)重程度的冒落，導(dǎo)致架設(shè)W型鋼帶困難時(shí)，可采用Φ14mm圓鋼焊接的鋼筋梯來(lái)替代W型鋼帶，梯子的寬度為80mm。
⑷托盤：采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為Φ130mm×8mm蝶形。
⑸錨桿角度：如圖1所示。
⑹網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬網(wǎng)護(hù)頂，菱形金屬網(wǎng)由10號(hào)鐵絲編織而成，網(wǎng)孔規(guī)格50×50mm。
⑺錨桿布置：錨桿排距800mm，每排5根錨桿，間距800mm。
⑻錨桿預(yù)緊扭矩：達(dá)到180N·m以上。
⑼錨索形式和規(guī)格：錨索材料為Φ17.8mm，高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度8.3m，樹脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支CK2340和兩支Z2388樹脂藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度2416mm。
⑽錨索布置：采用每排兩根和每排一根交錯(cuò)布置，排距800mm。錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部，垂直巷道輪廓線。用400mm×400mm×12mm高強(qiáng)錨索托板。
⑾錨索張拉預(yù)緊力：200~250kN。
2）巷幫支護(hù)
⑴錨桿形式和規(guī)格：桿體為Φ20mm左旋無(wú)縱筋500號(hào)螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.0m，桿尾螺紋為M22，螺紋長(zhǎng)度150mm，配高強(qiáng)度螺母。
⑵錨固方式：樹脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為CK2340，另一支規(guī)格為Z2388。鉆孔直徑為28mm，錨固長(zhǎng)度為1200mm。
⑶鋼帶規(guī)格：采用W型鋼帶，厚度5mm，寬280mm。也可采用Φ14mm圓鋼焊接的鋼筋梯來(lái)替代W型鋼帶，梯子的寬度為80mm。
⑷托板：采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為Φ130mm×8mm蝶形。
⑸網(wǎng)片規(guī)格：采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50×50mm。
⑹錨桿布置：錨桿排距800mm，每排每幫5根錨桿，間距為750mm。
⑺錨桿角度：如圖1所示。
⑻錨桿預(yù)緊扭矩：達(dá)到180N·m以上。
設(shè)計(jì)采用梯形斷面套棚支護(hù)，棚子每米架設(shè)一架。巷道支護(hù)方案如圖1所示。
圖1 上順槽巷道支護(hù)方案圖
4.2下順槽支護(hù)方案
基本支護(hù)和所用材料與上順槽巷道一致，巷道支護(hù)方案如圖2所示。
圖片 圖2下順槽巷道支護(hù)方案圖
4.3切眼支護(hù)方案
錨桿索等支護(hù)材料與前述基本一致，因切眼斷面較大，在形成刷大巷道后要用單體支柱配合3600mm“π”梁進(jìn)行支護(hù)，單體支柱排距為1.6m（掘進(jìn)方向），間距為第一根單體距后方煤柱側(cè)900mm，第二根在第一根前方2400mm，第三根在第二根前方1600mm，第四根在第三根前方2400mm。切眼巷道支護(hù)方案如圖3所示。
圖3 切眼支護(hù)方案圖
五、應(yīng)用效果
兩條順槽巷道采用綜掘機(jī)實(shí)現(xiàn)順利掘進(jìn)，切眼采用人工風(fēng)鎬施工實(shí)現(xiàn)順利掘進(jìn)。工作面切眼刷擴(kuò)時(shí)采用分段臺(tái)階導(dǎo)硐式施工，每段施工長(zhǎng)度12-20m，自下向上施工，每段下部設(shè)置臺(tái)階擋板，段內(nèi)分兩層采用人工風(fēng)鎬掘進(jìn)施工，先施工上層1.8m高度左右，完成頂板支護(hù)，再掘進(jìn)下層，完成巷幫支護(hù)。
現(xiàn)場(chǎng)采用上述技術(shù)，順利實(shí)現(xiàn)大傾角松軟特厚煤層綜放面巷道掘進(jìn)與支護(hù)，工作面已經(jīng)完成綜放設(shè)備安裝。
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