某煤矿326工作面支护设计

概述巷道名称本设计以326工作面轨道顺槽为例论述。掘进目的及巷道用途形成326采煤工作面生产系统，满足326采煤工作面回采时的进风、行人、材料运输和管线敷设的需要。巷道设计长度及服务年限326工作面轨道顺槽设计：总计长度：990m。服务年限：4年。预计开、竣工时间本掘进工作面自2024年1月10日开工，预计2025年3月10日竣工。编写依据设计说明书设计说明书名称为《326工作面设计说明书》、《123煤业3煤层巷道支护设计》。地质说明书及批准时间地质说明书名称为《326工作面轨道顺槽掘进地质说明书》，批准时间为2023年12月。有关法律法规《矿山安全法》《安全生产法》《煤矿安全规程》《煤矿安全技术操作规程》《煤矿防治水细则》《煤矿防灭火细则》等。有关安全管理制度《123煤业安全管理制度》、《123煤业安全生产责任制》、《煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法》、《326工作面专项辨识评估报告》等。地面相对位置及邻近采区开采情况表3-1地面相对位置及邻近采区开采情况煤层名称3煤层水平名称-100m水平采区名称二采区巷道名称326工作面轨道顺槽地面标高(m)+66.3～+67巷道标高(m)-128.5～-270.5地面位置巷道对应地面位置位于井田中部，地面为农田，无建筑物及水系。井下位置及四邻采掘情况岩（煤）层赋存特征岩(煤)层产状、厚度、结构、坚固性系数、层间距326工作面运输巷所处层位为二叠系山西组3煤层底板和3煤层中，3煤层平均倾角21°；平均煤厚7.2m。3煤呈条带状结构的半亮-半暗型煤；颜色黑色及黑褐色。该煤种属气煤，其硬度为1.5～2.3。3煤层顶、底板岩性特征详见表4-2。表4-2顶底板名称岩石名称厚度（m）岩性特征老顶中粗砂岩6-8灰白色，无层理，块状构造，含角闪石、黑云母等矿物，沉积稳定，井田辅助标志层。直接顶粉砂岩2-6深灰色，层理明显，富含植物叶部化石。伪顶炭质泥岩0.2灰黑色，层理明显。直接底粉细砂岩2-6深灰色至灰白色，呈互层状，遇水易发生底鼓，含植物根部化石。老底中粗砂岩4-6灰白色，厚状层理，沉积稳定。地质构造该巷道施工地质构造简单，遇断层必须补充安全技术措施。水文地质情况水文地质情况1.该巷道在3煤层及底板岩层中施工，根据附近已掘326轨道顺槽联络巷、321进风巷、321回风巷等巷道实际揭露情况分析，煤层顶板砂岩有少量裂隙水，掘进过程中沿裂隙有滴水，但其富水性弱，随掘进逐渐消失；底板不含水，对施工无影响。2.涌水量预计：根据钻孔资料，水文地质资料预计涌水量：预计该工作面正常涌水量为0.1m3/h，最大涌水量为2.0m3/h。。巷道布置326工作面轨道顺槽开门点位于326底车场经1点前29m。巷道设计长度990m，方位：120°，沿煤层底板掘进。开门口前10m使用炮掘采用钢带支护，剩余980m使用掘进机割煤采用U型棚支护。巷道断面设计半圆拱巷道断面形状及规格326工作面轨道顺槽断面为直墙半圆拱形。巷道断面尺寸表巷道名称宽度m高度m面积m2备注净宽荒宽净高荒高墙高S净S荒326工作面运输巷锚喷巷道4.021.512.2413.37U型棚4.01.512.2414.15二、工字钢巷道断面计为梯形断面，正常跟3煤层底板掘进断面：梯形断面，工字钢架棚支护，净断面6.2㎡，荒断面7.4㎡。支护设计依据《123煤业3煤层巷道支护设计》相关要求，326胶带顺槽决定采用掘进机施工巷道采用U型棚支护、锚网喷（或工字钢）即可满足工程支护设计要求。一、U型棚巷道支护方式（一）临时支护掘进机割完顶部煤后，闭锁掘进机，掘进机不能进行操作；及时敲帮问顶处理离层煤矸，确保安全后，前移前探梁，前探梁采用3根长4m（DN80）的厚壁钢管配合40T刮板输送机15扣链子做临时支护,链子绕过棚梁，钢管穿过链子，下方用链环与φ16mm螺丝拧紧，共用6个螺丝，每根3个固定点，分别挂在巷道正中左右各800mm～900mm处；并穿至迎头，在上方敷网，迅速按棚距将棚梁前移至位置，背实顶板，棚梁前空顶部分用若干根规格为长×宽×厚为2000×120×60mm的小板梁接顶，用木楔固定牢钢管和板梁。空顶时间：小于20分钟；空顶距：割煤前0-300mm、割煤后1000-1300mm。永久支护（1）U型钢选型计算Ｕ型钢棚具有结构简单、承载能力较矿工字钢大、可缩性能较好、可用于大断面等优点。在一定程度上保证了巷道的支护断面和围岩的整体性，减少了巷道维修的次数和强度。表6-4国产型钢主要断面参数表型号截面面积cm2理论重量Gkg/m断面主要参数主要对比参数Ix/cm4Jx/cm4Wx/cm3Iy/cm4Jy/cm4Wy/cm3WWWU1824.1018.90288.80284.2057.40333.20331.3054.303.02.91.06U2531.5424.76455.10451.7081.68506.00508.7075.98U2937.0029.00612.10616.0094.00770.70775.00103.001U3645.7035.87955.50972.00137.001237.001264.00148.003巷道顶板受力计算巷道危岩最大高度H计算：式中：H—危岩最大高度；S—巷道跨度4000mm；α1、β1—顶板弱面角450经计算：H=2000mm。则巷道顶板每米承受载荷为：Qs=R×H×S×10式中：Qs—岩体负荷重量；R—顶板岩石比重，取2.5t/m3；H—危岩高度，取2.0m；S—支护面积，S=6.28m2；故：Qs=R×H×S×10=2.5×2.0×6.28×10=314kN/m③巷道两帮受力计算Qs=KU×C×r×[h×sina+b×cos(a/2)×tg(45-φ/2)]=1×0.67×250×[3.5×sin15°+2.0×cos(15°/2)×tg(45-33.8°/2)]=177.7kN/m式中：QS—两煤帮侧压值，kN/m；KU—采动影响系数，取1～5，取1；C—巷道两帮松塌破坏深度；巷道两帮潜在松塌区宽度CC=h×tan(450-φ)式中：h—巷道高度，取3.5mφ—煤层内摩擦角，取33.8°计算得C=0.67mr—煤体比重，135kN/m3；h—巷道掘进高度，3.5m；a—煤层倾角，15°;b—顶板潜在的冒落拱高度，2.0m；φ—煤体内摩擦角，33.8°。U型钢支架承载能力计算：选用拱顶直腿U型钢棚，＝30°，＝120°，r＝200cm，＝400cm，200cm。支架按承受均布载荷考虑。由上可知顶压和侧压值可知载荷集度为的1.7倍，该U型钢棚的承载能力如下：设=1.7N/cm，在，作用下，支座反力、求柱腿内的最大正应力(wx及F以U29参数代入)求拱梁内的最大正应力最大弯矩位于处求最大弯矩截面上的轴力（6-21）求载荷集度增大系数a最大正应力发生在拱梁内，则计算计算支架整架承载能力P④U型钢支架棚距巷道顶压计算值为314kN/m，巷道两帮受力177.7kN/m，选用U29型钢时支架整架单架承载能力为418.1KN，支架的支护密度应达到1.3m，结合123煤业和周边矿井U型钢使用情况，确定采用U29型钢，支护排距为800~1000mm。（2）U型钢支护效果分析锚杆支护施工简单，技术成熟，经济效益明显，是123煤业开拓准备巷道的主要支护形式，但在回采巷道支护中，结合该矿开采技术条件分析，同时借鉴附近矿井使用使用U型棚支护的成功经验，U型棚支护也显示出了一定的优越性。①附近矿井使用U型钢棚支护效果山东金阳煤矿自2022年开始在3301工作面顺槽使用U型钢棚支护，巷道变形较小，巷道两帮移进量0～6mm，巷道顶板下沉量1～8mm，巷道支护效果较好，巷道稳定性得到了保证，可满足巷道支护的要求，同时架棚支护与锚杆支护费用相比较差别较小。该工作面自2022年1月开始生产，至2023年4月已成功实现了安全回采。在实际应用中显示出U型架棚支护具有施工周期短、使用方便、经济实用等优势。②本矿U型钢棚支护效果分析123煤业326工作面3煤层开采技术条件与附近金阳煤矿3煤层开采技术条件相类似，因此在借鉴金阳煤矿U型钢棚支护经验和支护参数的基础上，确定了本矿U型钢棚支护参数。受地质构造、地面建构筑物等影响，本矿3煤层工作面推进长度均较小，三采区工作面推进长度200～400m，回采巷道的长度均较短，另外开采深度一般小于800m，巷道矿压显现不明显。一方面巷道服务时间短，少则几个月，多则2年，支架架设、回拆比较频繁，架棚支架材料也要能适应这些要求。另一方面开采深度不大，矿压显现不明显，巷道变形较小，围岩较稳定，适合使用钢性架棚支护，可满足巷道支护的要求。架棚支护虽然劳动强度大，但就经济效益而言，钢棚可回收复用，在三采区3煤层开采中，架棚支护与锚杆支护费用相比较差别较小。在实际应用中显示出架棚支护具有施工周期短、使用方便、经济实用等优势。由于架棚支护属于“被动”支护，支架本身没有或仅有很小的初撑力，随着围岩变形的增加，靠支架自身的强度支撑上覆岩层。在围岩变形较大或采动压力较大的区域应使用锚杆支护，因为锚杆支护属于主动“支护”，在锚杆安装以后即对围岩提供支护阻力，而且随着围岩的变形，支护阻力不断增加，因而能及时地、有效地提高巷道围岩强度，防止围岩早期离层和控制围岩变形。采用U29型钢作为永久支护。每扒够一个棚距，挖好柱窝后，及时支设永久支护。背帮接顶材料为木背板，背板两端用木楔固定，帮及顶上共16页。顶帮采用铺金属网，网采用8＃铁丝制作的经纬网。（三）加强支护架棚间撑木采用厚10mm，宽60mm，长860mm长的钢板切割而成，固定到每架的卡揽螺丝棍上，每架配两个。（四）架棚巷道质量规定1.棚距1000mm，误差0~50mm，顶板破碎时棚距可缩小。2.顶帮铺网，用双股14#铁丝间隔200mm联网。3.顶帮半圆木背板支护，顶部、两帮花背，共16页，半圆木背板要求中—中0.6m，均匀布置在顶帮，并用木楔刹紧打牢。4.棚腿窝深度150mm,扭距不大于50mm，棚腿必须支在实底上，严禁支在浮煤、浮矸上，不得出现失脚现象。5.平巷施工时，支架要垂直于顶底板，斜巷施工时，支架要有迎山角，巷道坡度每增减5°～8°，上（下）山迎山角棚腿上仰1°,支架不得出现“退山”等现象。6.U型钢棚腿、棚梁搭接400mm,每侧搭接处上口50mm以下、下口50mm以上位置各用两个卡缆用螺栓、螺母拧紧，上牢，卡缆间距280～320mm。附表：U型棚巷道支护工程质量表表3-3架设U29型钢棚标准表项次项目允许误差/mm规格1搭接长度-30400mm2卡缆螺栓扭矩≤5%150N·M3支架间距≯501000mm4支架梁扭距（限值）≤5050mm5卡缆间距±20300mm6腿窝深度±20150mm二、锚网喷支护设计（1）赋存条件：巷道顶板大部分为粉砂岩、中砂岩，围岩比较稳定。（2）按悬吊理论计算锚杆参数：=1\*GB3①锚杆长度计算：L=KH+L1+L2式中：L—锚杆长度，m；H—冒落拱高度，m；K—安全系数，一般取K=2； L1—锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取0.5m；L2—锚杆在巷道中的外露长度，一般取0.05m；其中：H==4/（2×5）=0.4m式中：B—巷道开掘宽度，取4.0m；f—岩石坚固性系数，砂岩取5；则L=2×0.4+0.5+0.05=1.35m。=2\*GB3②锚杆间距、排距计算，间距、排距取a、b：a=b=式中：a、b—锚杆间、排距，m；Q—锚杆设计锚固力，100KN/根；H—冒落拱高度，取0.4m；r—被悬吊砂岩的重力密度，取25.48KN/m3；K—安全系数，一般取K=2；a=b=≈2.22m通过以上计算，选用直径22mm长度2200mm等强度螺纹钢锚杆，间距为900mm、排距为900mm，以上规格锚杆及间排距能够满足支护强度要求。锚网带支护时，采用锚杆紧跟迎头的支护方式，前排锚杆距迎头超过1000mm时，及时安装锚杆，全断面挂网；当围岩稳定性较差时，锚杆间排距缩小至800×800m。三、工字钢支护（一）巷道断面设计为梯形断面，正常跟3煤层底板掘进断面：梯形断面，工字钢架棚支护，净断面6.2㎡，荒断面7.4㎡。（二）支护方式1.临时支护采用吊挂前探梁作为临时支护，前探梁为三根长度4米Φ76mm×5mm的无缝钢制作，探梁间距0.7-1.5m，距帮不大于0.5m，前端顶到煤壁托住棚梁，每根前探梁用前后两挂30B链条,吊挂在永久支护棚梁上，链条用连接环连接，螺丝上满扣。探梁前端用板梁接实顶，接顶板梁端部距巷帮不大于0.3m，距迎头不大于0.3m，放炮后待吹散炮烟、洒水降尘、“敲帮问顶”后立即将前探梁前移，在前探梁的掩护下完成出煤（矸）工作，并及时支设永久支护。遇巷道调向或因现场地质条件发生变化，无法正常吊挂使用前探梁临时支护时，采用单体液压支柱打带帽点柱（方木：长×宽×厚=2000mm×120mm×80mm）作为临时支护，每个方木2棵单体支柱（DW25或DW22），间距不大于1.5m，距迎头不大于0.3m，打在硬底上，迎山有力。底板松软时穿鞋，单体支柱必须及时注液，挂牢防倒绳。现场至少存有2根备用。当交叉点、现场地质条件发生变化、巷道断面超挖或顶板破碎等时，2棵带帽点柱临时支护不能满足现场实际需要时，视现场断面、控顶范围及顶板情况及时增加临时点柱数量，确保临时支护可靠，满足现场需要，严禁空顶作业。2.永久支护（1）采用11#矿用工字钢棚梯形支护。支护规格：上宽2.2m、下宽3.2m、净高2.3m；柱腿扎角一致（80°）、板梁、木楔腰帮背顶，要求顶六帮五，木楔足量，两帮棚腿及肩窝处上下加齐撑木。迎头10m范围内两帮距棚梁0.3～0.4m的位置采用联锁杆(Φ18mm螺纹钢锚杆加工)加固，并随掘进交替前移。条件变差时，顺巷道中间加设顶连锁（u型卡配旧道轨）。（2）棚距：0.85m，遇地质构造带时加强顶板支护，适当缩小棚距0.5-0.7m。（3）铺网：顶部铺塑料网或金属网，规格：3.0×1.1m，两帮铺塑料网规格：2.5×1.1m；网扣必须扣扣相连，0.2m系一扣，网铺平拉紧，严禁有网兜出现。（4）最大控顶距1.15m，最小空顶距0.3m，临时支护距迎头距离不大于1.15m，永久支护距迎头距离不大于0.3m。支护工艺一、锚喷巷道支护工艺（一）支护材料1.锚杆及锚固剂：锚杆采用MSGLD335钢制成的右旋全螺纹钢锚杆，直径20mm，长为2000mm，每根锚杆均用2块树脂锚固剂固定，锚固长度不少于700mm，锚杆外露长度为10～100mm，托盘为正方形，规格为长×宽×厚=140×140×8mm。树脂锚固剂直径为28mm，每根长度为500mm，锚杆均使用配套标准螺母紧固，锚固剂型号为MSK2850。2.网采用8＃铁丝制作的经纬网，网的规格为长×宽=7×1m，网格为长×宽=80×80mm，网要压茬连接，搭接长度不小于50mm，相邻两块网之间要用10#铁丝连接，连接点要均匀布置，间距不大于200mm。3.喷射混凝土使用必须用标号不低于425#水泥，沙为纯净的河沙，石子粒径小于20mm，将粒径大于15mm的石子控制在20%以下，石子过筛，并用水冲洗干净，混凝土强度抗拉1.4MPa、抗压不低于25MPa，配比为水泥：沙：石子=1：2：2；混凝土标号为C15。速凝剂型号J85，掺入量一般为水泥重量的2～3.5%，喷拱时取上限，喷淋水区时，可酌情加大速凝剂掺入量，速凝剂必须在喷浆机上料口均匀加入。（二）锚杆安装工艺1.打锚杆眼打眼前，首先按照中、腰线严格检查巷道断面规格，不符合作业规程要求时必须先进行处理；打眼前要先敲帮问顶，仔细检查顶帮围岩情况，找掉活矸、危岩，确认安全后、方可开始打锚杆眼，锚杆眼的位置要准确，眼位误差不得超过-100～100mm，眼向误差最大不大于15°，锚杆眼应尽量与岩层层面垂直，不能与岩层层面布置时，锚杆眼与岩层层面的夹角最小不小于75°。锚杆眼深度应与锚杆长度相匹配，打眼时应在钎子上做好标志，严格按锚杆长度打眼，深度不低于1850-1900mm，锚杆眼打好后，应将眼内的岩渣、积水清理干净。打眼时，必须在临时支护的掩护下操作。打眼的顺序，应由外向里先顶后帮的顺序依次进行。2.安装锚杆安装前，应将眼孔内的积水、岩粉用压风吹扫干净。吹扫时，操作人员应站在孔口一侧，眼孔方向不得有人。吹扫干净锚杆眼后把2块树脂锚固剂送入眼底，把锚杆插入锚杆眼内，使锚杆顶住树脂锚固剂，外端头套上专用搅拌器，用风煤钻卡住搅拌器，开动风煤钻，使风煤钻带动杆体旋转将锚杆旋入树脂锚固剂，对锚固剂进行搅拌，直至锚杆达到设计深度，方可撤去风煤钻，搅拌旋转时间在20s-30s，5min之后，挂好网，上好托盘，用气动锚杆安装机将锚杆上紧，给锚杆施加一定预紧力。3.锚杆检测每班对顶帮锚杆进行拧紧力矩检查，必须使用力矩扳手；锚杆拧紧力矩不得小于380N·M，否则重新紧固或补打；锚固力采用锚杆拉力计检测，锚固力不得小于105KN，每300根检测一组（顶一根，两帮各一根）。（三）喷射混凝土1.准备工作①检查锚杆安装和经纬网铺设是否符合设计要求，发现问题及时处理。②清理喷射现场的矸石杂物，接好风、水管路，输料管路要平直不得有急弯，接头要严密，不得漏风，严禁将非抗静电的塑料管做输料管使用。③检查喷浆机是否完好，并送电空载试运转，紧固好磨擦板，不得出现漏风现象。④喷射前必须用高压风水冲洗岩面，在巷道拱顶和两帮应安设喷厚标志。⑤喷射人员要佩戴齐全有效的劳保用品。2.喷射混凝土的工艺要求喷射顺序为：先墙后拱，从墙基开始自下而上进行，喷枪头与受喷面应尽量保持垂直。喷枪头与受喷面的垂直距离以0.8m～1m为宜。人工拌料时采用潮拌料，水泥、沙和石子应清底并翻拌三遍使其混合均匀。喷射时，喷浆机的供风压力在0.4MPa，水压应比风压高0.1MPa左右，加水量凭射手的经验加以控制，最合适的水灰比是0.4～0.5之间。喷射过程中应根据出料量的变化，及时调整给水量，保证水灰比准确，要使喷射的湿混凝土无干斑，无流淌，粘着力强，回弹料少，一次喷射混凝土厚度50～70mm，并要及时复喷，复喷间隔时间不得超过2个小时。否则应用高压水重新冲洗受喷面。喷射总厚度120mm。3.喷射工作喷射工作开始前，应首先在喷射地点铺上旧皮带，以便收集回弹料，一次喷射完毕，应立即收集回弹物，并应将当班拌料用完。当班喷射工作结束后，必须卸开喷头，清理管路和喷浆机内外部所有遗留物。开机时必须先给水，后开风，再开机，最后上料；停机时，要先停料，后停机，再关水，最后停风。喷射顺序为：先墙后拱，从墙基开始自下而上进行。喷射工作开始后，严禁将喷射枪头对准其它人员，喷射中突然发生堵塞故障时，喷射手应紧握喷头并将喷口朝下并立即命令关掉压风开关。4.喷射质量及养护喷射前必须清洗岩帮，清理浮矸，喷射均匀，无裂隙。喷射工作结束后，当班喷层必须在下一个班末开始洒水养护，洒水养护时间不低于28天，7天以内每班洒水1次，7天以后每天洒水1次。5.混凝土喷层厚度检查在养护好的巷道内每25m打一组观测孔，一组观测孔至少打3个且均匀布置（分别在顶部一个，两帮各一个）；喷层厚度不低于设计值得90％。（四）支护材料存放1.掘进用支护材料在施工地点附近合适地点设置料场，料场内存放正常掘进支护材料，各类材料要分类码放整齐，并挂牌管理。2.备用临时支护材料临时支护材料：迎头外100m内备存不少于2棵前探梁；顶部用长板梁不少于2根，以备迎头临时支护使用。3、备用掘进支护材料迎头50-100m内必须备存不少于正常掘进施工3天的备用支护材料，各类材料要分类码放整齐，并挂牌管理。3天备用掘进支护材料明细：锚杆60根，1×7m的金属网8张，MSK2850树脂锚固剂120支。二、U型棚巷道支护工艺（一）支护材料支护材料选用U29型钢棚。棚距为1000mm。背帮接顶材料为半圆木、金属网，背板两端用木楔固定，两帮及顶上不少于16页，两帮棚腿采用长860×60×10的钢板作为U型棚撑木，固定在卡揽上，每架使用2根。1.U29型钢棚，规格为：腿×腿×梁=3495×3495×3380mm；2.巷道采用8＃铁丝制作的经纬网接顶护帮，网宽1m，长7m；3.木背板规格为：长×宽×厚=1300×（120-200）×60㎜；4.棚腿铁鞋规格为140×140×15㎜；5.每个搭接处用卡子两副，每副卡子配2个M24㎜螺栓，每个螺栓配平、弹垫一副。6.U型棚总长度10370mm。1.支护工艺安全检查及质量验收→敲帮问顶、加固支护→洒水→掘进机割顶部煤→班组长对工作面顶板进行敲帮问顶工作，清除顶帮悬矸危岩，确认无冒顶片帮等危险后→前移前探→上棚头、背板、联网、铺网→掘进机割底部煤（出煤）→挖腿窝、立棚腿→永久支护→清理→质量验收。2.工序安全检查→掘进机割顶部煤→操作人员用长柄工具进行敲帮问顶处理顶帮活矸、活煤→前移前探、临时支护→上棚梁、接顶→掘进机割底部煤（出煤）→挖柱窝、安设棚腿、背帮、连锁→清理。（三）架棚巷道施工方法及要求1.敲帮问顶：人员站在永久支护下使用长把工具（长3m1寸防尘铁管）作业，及时找下顶帮危岩活矸，操作时必须一人观察一人进行，并清理好退路。2.铺设顶网：敲帮问顶确认安全后先铺设网，将相邻网连接好，铺设平整、张紧。先联网，后前铺。向前铺网时用长把工具前送，严禁操作人员进入空顶区。3.上顶梁，前探梁前部伸出正规棚300mm，抬一根棚梁放至前探梁前端，二人扶前探梁后端，前移前探梁，固定好棚梁位置，此时扶稳前探梁后端，防止棚梁滑下。严禁操作人员进入空顶区上棚梁。上顶梁及前送顶梁时如需要刷肩窝、壁帮、伞岩等，必须在临时支护或永久支护下进行，严禁空顶作业。4.布置顶背板：在顶网下均匀布置背板，要求装严背实。5.固定前探梁：量好中线，下压前探梁后端，用垫木刹紧，加牢，使迎头背板及棚梁接顶