一、基本條件
礦井位于山西省忻州市，首采工作面開采5號煤層，5號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)試驗測定，5號煤容重平均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，抗壓強度69.04MPa，其上為一層7.7m左右的砂質(zhì)泥巖，抗壓強度28.88MPa，直接底板巖層砂質(zhì)泥巖厚度10.2m，抗壓強度平均24.13MPa。
礦井為低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，5號煤層屬Ⅱ級自燃煤層，發(fā)火期4～6月。礦井設計產(chǎn)能120萬t/a，一井一面達產(chǎn)，工作面設計采用綜放開采，采高2.6m，放煤高度7.9m，采放比1:3，設計截深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、支護設計原則
針對現(xiàn)場實際，結(jié)合國內(nèi)知名專家提出的支護理念，提出以下設計原則：
⑴一次支護原則。錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。
⑵高預應力原則。高預應力是錨桿支護實現(xiàn)主動支護的關鍵，只有較高的預應力才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用，才能提高錨桿和托板等組成的錨固體的整體剛度與強度。
⑶“三高一低”原則。采用高強度、高剛度、高可靠性錨桿與低支護密度相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)在保證支護系統(tǒng)可靠性的基礎上，降低錨桿使用量，提高掘進速度。
⑷相互匹配原則。錨桿及其配套的各構(gòu)件的參數(shù)與力學性能應當匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學性能應當匹配，以利于整體支護效能的發(fā)揮。
⑸可操作性原則。支護設計應具有較強的可操作性，以利于現(xiàn)場施工及管理。
三、巷道斷面及形狀
1）上順槽巷道
由于煤層較軟，現(xiàn)場采用半圓拱形斷面時，綜掘機一次成形困難，且支護要求最右側(cè)錨索必須達到13m以上才能錨固到頂板巖層范圍，軟煤施工困難；后續(xù)工作面回采時超前支護較困難，在綜合考慮礦方意見和梯形斷面（套棚）方案的基礎上，優(yōu)先采用梯形斷面（套棚）方案。
礦方采用柴油動力單軌吊，要求寬度1800mm（包括安全間隙），考慮掘進期間的皮帶安裝架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。考慮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）巷道掘進毛斷面上寬3900mm，下寬5100mm，毛高3500mm，掘進斷面15.75m2。
2）下順槽巷道
下順槽為運輸順槽，考慮到煤層傾角30°，且下順槽沿頂板布置，下順槽斷面優(yōu)先設計為矩形斷面，其次為異形斷面。其中矩形斷面考慮破頂、留頂煤兩種方案。在礦井進行的探巷掘進過程中沿頂板進行，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)時鋪設皮帶等要求，巷道毛寬4700mm，按30°傾角考慮，則矮幫至少為1800mm，高幫達到4300mm，高幫為靠近工作面?zhèn)?，現(xiàn)場維護將十分困難，且超前支護較難解決，而采用破頂留設矩形斷面，雖然掘進期間直接頂較硬，破巖成本相對較高，但后期工作面期間的超前管理變得簡單，且支護容易，綜合分析認為采用破頂矩形斷面設計最佳。
確定下順槽矩形斷面巷道掘進毛寬4700mm，毛高3500mm，掘進斷面16.45m2。
3）工作面切眼
根據(jù)配套要求，開切眼設計斷面為矩形，毛寬8.2m，毛高2.8m。分兩次掘進，第一次掘進毛寬4.5m，第二次擴幫至設計斷面。
四、支護方案
4.1上順槽支護方案
1）頂板支護
⑴錨桿形式和規(guī)格：桿體為Φ22mm左旋無縱筋500號螺紋鋼筋，長度2.5m，桿尾螺紋為M24，螺紋長度150mm，配高強度螺母。
⑵錨固方式：樹脂加長錨固，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，錨固長度為1200mm。
⑶鋼帶規(guī)格：采用W型鋼帶，厚度5mm，寬280mm。當頂板在掘進過程中出現(xiàn)較嚴重程度的冒落，導致架設W型鋼帶困難時，可采用Φ14mm圓鋼焊接的鋼筋梯來替代W型鋼帶，梯子的寬度為80mm。
⑷托盤：采用拱型高強度托盤，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)護頂，菱形金屬網(wǎng)由10號鐵絲編織而成，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錨桿預緊扭矩：達到180N·m以上。
⑼錨索形式和規(guī)格：錨索材料為Φ17.8mm，高強度低松弛預應力鋼絞線，長度8.3m，樹脂加長錨固，采用兩支CK2340和兩支Z2388樹脂藥卷錨固，錨固長度2416mm。
⑽錨索布置：采用每排兩根和每排一根交錯布置，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高強錨索托板。
⑾錨索張拉預緊力：200~250kN。
2）巷幫支護
⑴錨桿形式和規(guī)格：桿體為Φ20mm左旋無縱筋500號螺紋鋼筋，長度2.0m，桿尾螺紋為M22，螺紋長度150mm，配高強度螺母。
⑵錨固方式：樹脂加長錨固，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替代W型鋼帶，梯子的寬度為80mm。
⑷托板：采用拱型高強度托盤，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錨桿預緊扭矩：達到180N·m以上。
設計采用梯形斷面套棚支護，棚子每米架設一架。巷道支護方案如圖1所示。
圖1 上順槽巷道支護方案圖
4.2下順槽支護方案
基本支護和所用材料與上順槽巷道一致，巷道支護方案如圖2所示。
圖片 圖2下順槽巷道支護方案圖
4.3切眼支護方案
錨桿索等支護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”梁進行支護，單體支柱排距為1.6m（掘進方向），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。切眼巷道支護方案如圖3所示。
圖3 切眼支護方案圖
五、應用效果
兩條順槽巷道采用綜掘機實現(xiàn)順利掘進，切眼采用人工風鎬施工實現(xiàn)順利掘進。工作面切眼刷擴時采用分段臺階導硐式施工，每段施工長度12-20m，自下向上施工，每段下部設置臺階擋板，段內(nèi)分兩層采用人工風鎬掘進施工，先施工上層1.8m高度左右，完成頂板支護，再掘進下層，完成巷幫支護。
現(xiàn)場采用上述技術，順利實現(xiàn)大傾角松軟特厚煤層綜放面巷道掘進與支護，工作面已經(jīng)完成綜放設備安裝。
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