煤礦工作麵設計
目錄
3.3.2巷道圍岩應力分布與變形規律模擬03manbetx
13
9.5.2發生水災02manbetx.com
時的應急措施143
附件：
1、2015年瓦斯等級鑒定
2、陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦煤自燃傾向性鑒定報告
3、陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦煤塵爆炸性鑒定報告
4、蔣家河煤礦二采區開采設計批複
5、蔣家河煤礦二采區4#煤煤岩衝擊傾向性鑒定報告
6、蔣家河煤礦二采區大巷衝擊危險性評價
附圖1：4煤層綜合柱狀圖
附圖2：ZF205巷道布置示意圖
附圖3：ZF205工作麵正規循環圖表
附圖4：采煤機進刀方式
附圖5：ZF205工作麵運輸係統圖
附圖6：蔣家河煤礦通風係統圖
附圖7：ZF205排水管路圖
附圖8：ZF205工作麵供電係統圖
附圖9：蔣家河煤礦監測監控係統布置圖
附圖10：蔣家河煤礦通信係統布置圖
附圖11：蔣家河煤礦人員定位係統布置圖
附圖12：ZF205工作麵初采強製放頂炮眼布置圖
附圖13：ZF205工作麵超前支護圖
附圖14：ZF205工作麵安裝絞車布置示意圖
附圖15：ZF205工作麵端頭支護圖
附圖16：蔣家河煤礦避災路線圖
附圖17：ZF205工作麵回撤通道示意圖
附圖18：ZF205工作麵支架回撤示意圖
附圖19：ZF205工作麵回撤絞車布置示意圖
附圖20：蔣家河煤礦黃泥灌漿係統圖
附圖21：蔣家河煤礦注氮係統圖
附圖22：蔣家河煤礦防滅火係統圖
附圖23：蔣家河煤礦消防灑水係統圖
附圖24：蔣家河煤礦防塵係統圖
附圖25：蔣家河煤礦瓦斯抽放係統圖
附圖26：ZF205工作麵布置層麵圖
附圖27：ZF205工作麵采煤方法圖
附圖28：ZF205工作麵設備布置圖
附圖29：蔣家河煤礦205綜采放頂煤工作麵設計圖
附圖30：蔣家河煤礦采掘工程平麵圖
附圖31：蔣家河煤礦井上下對照圖
目錄
3.3.2巷道圍岩應力分布與變形規律模擬03manbetx
13
9.5.2發生水災02manbetx.com
時的應急措施143
附件：
1、2015年瓦斯等級鑒定
2、陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦煤自燃傾向性鑒定報告
3、陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦煤塵爆炸性鑒定報告
4、蔣家河煤礦二采區開采設計批複
5、蔣家河煤礦二采區4#煤煤岩衝擊傾向性鑒定報告
6、蔣家河煤礦二采區大巷衝擊危險性評價
附圖1：4煤層綜合柱狀圖
附圖2：ZF205巷道布置示意圖
附圖3：ZF205工作麵正規循環圖表
附圖4：采煤機進刀方式
附圖5：ZF205工作麵運輸係統圖
附圖6：蔣家河煤礦通風係統圖
附圖7：ZF205排水管路圖
附圖8：ZF205工作麵供電係統圖
附圖9：蔣家河煤礦監測監控係統布置圖
附圖10：蔣家河煤礦通信係統布置圖
附圖11：蔣家河煤礦人員定位係統布置圖
附圖12：ZF205工作麵初采強製放頂炮眼布置圖
附圖13：ZF205工作麵超前支護圖
附圖14：ZF205工作麵安裝絞車布置示意圖
附圖15：ZF205工作麵端頭支護圖
附圖16：蔣家河煤礦避災路線圖
附圖17：ZF205工作麵回撤通道示意圖
附圖18：ZF205工作麵支架回撤示意圖
附圖19：ZF205工作麵回撤絞車布置示意圖
附圖20：蔣家河煤礦黃泥灌漿係統圖
附圖21：蔣家河煤礦注氮係統圖
附圖22：蔣家河煤礦防滅火係統圖
附圖23：蔣家河煤礦消防灑水係統圖
附圖24：蔣家河煤礦防塵係統圖
附圖25：蔣家河煤礦瓦斯抽放係統圖
附圖26：ZF205工作麵布置層麵圖
附圖27：ZF205工作麵采煤方法圖
附圖28：ZF205工作麵設備布置圖
附圖29：蔣家河煤礦205綜采放頂煤工作麵設計圖
附圖30：蔣家河煤礦采掘工程平麵圖
附圖31：蔣家河煤礦井上下對照圖
1總論
1.1概況
蔣家河井田位於陝西彬長礦區南部，地處陝西省彬縣車家莊鄉，該煤礦隸屬彬縣煤炭有限責任公司管轄。
彬縣煤炭有限責任公司屬地方國有煤礦，股份合作製企業，企業經過多年的艱苦創業，大力實施科技興企戰略，煤炭開采技術達到國內先進水平，經營管理邁上新台階，在拉動地方經濟發展中起到了領軍作用。
1.2編製依據
1、《陝西黃隴侏羅紀煤田彬長礦區蔣家河井田勘探地質報告》
——陝西省煤田地質局186隊
2、《彬縣煤炭有限責任公司蔣家河煤礦初步設計》
——中煤西安設計院
3、《煤礦瓦斯抽采工程設計規範》（GB 50471-2008）
——住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫局聯合發布
4、礦井瓦斯湧出量預測方法（AQ1018-2006）
——國家安全生產監督管理總局
5、瓦斯抽采基本指標 （AQ1026-2006）
——國家安全生產監督管理總局
6、煤礦瓦斯抽采規範 （AQ1027-2006）
——國家安全生產監督管理總局
7、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》
8、2015年礦井瓦斯等級鑒定報告
9、2016新版《煤礦安全01manbetx
》——煤炭工業出版社
10、《蔣家河煤礦二采區4#煤煤岩衝擊傾向性鑒定報告》
——中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室
11、《陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦煤塵爆炸性鑒定報告》
——煤炭科學研究總院沈陽研究院
12、《陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦煤自燃傾向性鑒定報告》
——煤炭科學研究總院沈陽研究院
13、《采礦工程設計手冊》——煤炭工業出版社
14、《蔣家河煤礦ZF201泄水巷錨杆支護初始設計》
——天地科技股份有限公司
15、《陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦ZF1410工作麵“兩帶”高度實測與03manbetx
報告》——天地科技股份有限公司
16、《煤炭工業礦井監測監控係統裝備配置標準》（GB 50581--2010）
——住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫局聯合發布
17、《煤礦安全監控係統及檢測儀器使用管理規範》(AQ 1029-2007)
——國家安全生產監督管理總局
1.3設計指導思想
遵循科學發展觀，實現數量增長與優化結構、提高質量、改善效益相統一；堅持可持續發展，統籌人與自然的和諧發展；做到生產建設與資源利用、環境保護相統一；堅持以人為本，保障安全生產，促進“西部大開發”戰略在本區實現。因此，本設計的指導思想為，堅持以經濟效益為中心，依靠科技進步，本著高起點、新機製、投資少、效率高的原則，采用先進設備、先進工藝、先進技術，將該工作麵建設成高產高效的現代化工作麵。
1.4設計概況
ZF205工作麵位於二采區三條大巷的北側，南端為二采區三條大巷護巷煤柱，西側為二采區未采實煤體，東側為ZF203工作麵采空區，北鄰礦井邊界保護煤柱。該工作麵上部對應地表為棗林村、棗林公路。
工作麵標高在+535.4～+601.7m之間，地麵標高在+1212.2～+1179.8m之間，工作麵埋深約610.6～644.4m，根據中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的鑒定結果，蔣家河煤礦二采區4#煤層及煤層頂板具有弱衝擊傾向性。
ZF205工作麵布置兩條巷道，分別為運輸順槽、回風順槽；兩順槽方位角均為345°，兩條巷道均布置在4＃煤層中。工作麵走向長1524m，傾斜長151m，留設大巷保護煤柱100m，可采走向長1420m，回采麵積為1420*151=214420m²。根據ZF203兩順槽掘進期間的煤層揭露及鑽孔煤層厚度探測，開采區域煤層平均厚度約為6.2m，最大厚度為8.4m，最小厚度為4.0m。工作麵地質儲量為196.9萬噸，可采儲量為148.8萬噸，回采率85.0％，計劃平均月產6.28萬噸，平均月推進度73.6m，可采期為20個月。、
2工作麵地質條件
工作麵地質條件如下表2-1所述。
表2-1 工作麵地質條件彙總表
工作麵名稱
|
205綜采放頂煤工作麵
|
||||||||
覆蓋層厚度
及岩性
|
覆蓋層厚度為610.6～644.4m，以灰白色粉砂岩為主。
|
||||||||
工作麵四周
及護巷煤柱
|
工作麵西為二采區未采實體煤，南為二采區三條大巷，東為ZF203工作麵，北為礦井邊界。
|
||||||||
工作麵回采率
|
85.0%
|
||||||||
工作麵要素
|
|
最大（m）
|
最小（m）
|
平均值（m）
|
工作麵儲量(萬噸)
|
||||
走向長度
|
1524
|
1524
|
1524
|
地質儲量
|
可采儲量
|
||||
傾斜長度
|
151
|
151
|
151
|
196.9
|
148.8
|
||||
煤層厚度
|
8.4
|
4.0
|
6.2
|
/
|
/
|
||||
矸石厚度
|
0.25
|
0.1
|
0.4
|
/
|
|||||
煤質情況
|
水份%
|
含硫%
|
揮發分%
|
灰份%
|
發熱量MJ/Kg
|
||||
3.16
|
0.44
|
32.31
|
15.95
|
26.37
|
|||||
水
文
情
況
|
本區地層平緩，未發現較大斷層，地質構造簡單。主采煤層（4煤）底板標高540.0m～640.6m，埋深655～343.4m，位於當地侵蝕基準麵以下。煤層下賦岩層含水微弱，可視為相對隔水層。煤層直接充水含水層為侏羅係中統直羅組砂岩裂隙含水層（IX）以及侏羅係中統延安組煤層及其頂板砂岩含水層（X），充水方式為頂板進水。各直接充水含水層埋藏深，裂隙不甚發育，導水性差，以裂隙充水為主。井田內主要含水層為河穀區潛水含水層和宜君、洛河組砂岩含水層。因煤層埋藏深，井田內無小窯開采後的導水裂隙帶直接滲入井下的可能。
|
||||||||
煤層埋藏要素及煤層厚度變化情況
|
工作麵位於4＃煤層，4#煤層位於延安組底部，煤層大致埋藏深度為610.6～644.4m，該麵中部有一走向SN的向斜構造，西翼傾向NW，傾角2～6°，東翼傾向SE，傾角2～10°，煤層傾角變化較大。4煤層厚度變化較大，局部含一層夾矸。4煤層為條帶狀、均一狀、線理狀結構，煤層以暗淡、半暗型煤為主，夾半亮型煤，其上部為暗淡型煤夾半暗、半亮型煤，下部為半暗型煤夾半亮型煤。
|
||||||||
瓦斯等級
鑒定結果
|
根據《2015年礦井瓦斯等級鑒定報告》，絕對瓦斯湧出量為37.75m3/min，相對瓦斯湧出量14.19m3/t，屬於高瓦斯礦井。（見附件1）
|
||||||||
煤自燃等級
鑒定結果
|
煤層自然發火期為3－5個月，根據2012年10月煤炭科學研究總院沈陽研究院提交的《蔣家河煤礦煤自燃傾向性等級鑒定報告》，礦區4#煤層屬Ⅱ類自燃煤層。（見附件2）
|
||||||||
煤塵爆炸性
鑒定結果
|
根據2012年11月煤炭科學研究總院沈陽研究院提交的《蔣家河煤礦煤塵爆炸性鑒定報告》，礦區4#煤層的煤塵有爆炸性。（見附件3）
|
||||||||
煤岩層衝擊傾向性鑒定結果
|
根據2015年9月中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的鑒定結果，蔣家河煤礦二采區4#煤層具有弱衝擊傾向性；4#煤層頂板具有弱衝擊傾向性；（見附件5）
根據2016年8月天地科技股份有限公司開采事業部衝擊危險性評估結果，蔣家河煤礦二采區三條大巷有若衝擊危險性。（見附件6）
|
||||||||
頂底板特征
|
偽頂
|
泥岩，厚約1.5 m。
|
|||||||
直接頂
|
砂質泥岩、泥岩，厚約13m。
|
||||||||
老頂
|
灰色粉砂岩，厚約14 m。
|
||||||||
底板
|
炭質泥岩、鋁質泥岩，厚約，4～10 m。
|
||||||||
備注
|
煤層特征見附圖一：4＃煤層綜合柱狀圖。
|
||||||||
2.1含水層情況
根據《蔣家河井田勘探地質報告》及S1號水文鑽孔柱狀圖03manbetx
，本區內有三個主要含水層。
1、白堊係下統洛河組砂礫岩含水層：含水層深度在207.15m-426.97m，含水層厚度219.82m；ZF205工作麵埋深約610.6～644.4m，低於含水層水位。該含水層岩性以紫紅色～暗紫色中、粗粒砂岩為主，礫岩、砂礫岩次之。含水層主要由中、粗粒砂岩組成；據S1鑽孔抽水試驗結果：白堊係含水層平均單位湧水量0.0483L/s·m，富水性不均一，屬中等富水含水層。
根據《陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦ZF1410工作麵“兩帶”高度實測與分析報告》可知，二采區預計的導水裂縫帶最大高度為31.00～345.46m，平均為145.58m。二采區參與計算的16個鑽孔中，導高波及洛河組有8個，占比50%。波及深度35.75～142.80m，平均為72.29m。從4-1和S1鑽孔的情況來看，均波及到洛河組含水層，ZF205工作麵到4-1和S1鑽孔位置較近，該工作麵導高依據4-1和S1鑽孔預測數據為參考依據。因此ZF205工作麵在開采過程中導高會波及到洛河組含水層，工作麵開采期間要做好防治水工作。
2、侏羅係中統直羅組砂岩含水層：從4-1鑽孔柱狀圖看，該含水層水位在408.24—435.66m範圍內，厚約27.42m。岩性為淺灰綠色中～粗粒長石石英砂岩，夾灰綠色泥岩、砂質泥岩。
3、侏羅係中統延安組煤層及其頂板砂岩含水層：該含水層位於直羅組之下，4#煤層位於該含水層之內，含水層水位在435.66—535.27m範圍內，岩性以中粗粒砂岩為主，是主要的含水層。
2.2 ZF205工作麵地質及水文地質開采條件評價
1、ZF205工作麵位於趙坡向斜東翼，未見較大斷裂帶及其他構造地質體，地質構造簡單。
2、工作麵煤層直接充水含水層為侏羅係中統直羅組砂岩裂隙含水層，以及侏羅係中統延安組煤層及其頂板砂岩含水層，充水方式為頂板進水。
3、井田水文地質勘探類型屬以裂隙充水為主，水文地質條件類型劃分為“中等”。
2.3 ZF205工作麵湧水量預計
ZF205工作麵湧水量主要采用解析法中的“大井”法和“集水廊道法”預計。
2.3.1參數的選取
二采區ZF205工作麵4號煤層底板標高為+535.4～+601.7m。結合最新進行的地質鑽探及抽水試驗工作，合理選取各含水層的水文參數選取，見表2-3-1。
表2-3-1 ZF205工作麵範圍各含水層參數選取
參數
含水層
|
滲透係數K（m/d）
|
含水層厚度（m）
|
水位標高（m）
|
|||
依據
|
取值
|
依據
|
取值
|
依據
|
取值
|
|
洛河組
|
S1抽水試驗
|
0.0152
|
S1
4-1
|
211.41
|
S1抽水
試驗
|
+933.34
|
直羅組
|
水165、S1
|
0.0059
|
S1
4-1
|
30.97
|
S1抽水
試驗
|
+1040.32
|
延安組
|
5-2、水D20、
水D30、S1
|
0.0025
|
S1
4-1
|
77.79
|
S1抽水
試驗
|
+1040.32
|
2.3.2 “大井”法
1、洛河組
洛河組部分被波及，但水量不會被疏幹，按洛河組地下水水位下降50m預計其進入礦井的水量。采用承壓水公式，如下：
公式（2-3-1）
公式（2-3-2）
其中：R：影響半徑（m）；
r0:引用半徑（m）；
F：計算區域麵積(m2)；
K：滲透係數（m/d）；
M：含水層厚度(m)；
S：水位降深(m)；
Q：湧水量（m3/h）。
二采區ZF205工作麵形狀為矩形，因此：
公式（2-3-3）
其中工作麵寬度為151m，長度為1420m，而b/a的值約為0.11，介於0~ 0.20之間，因此
取值1.066，計算可得
384.84m。
洛河組含水層參數選取及湧水量計算結果見表2-3-2。
表2-3-2 ZF205工作麵洛河組湧水量計算參數表
參數
|
參數值
|
備注
|
K
|
0.0152m/d
|
|
r0
|
384.84m
|
|
M
|
211.41m
|
|
S
|
50.00m
|
|
R
|
61.64m
|
|
R0
|
446.47m
|
|
Q
|
283.23m3/h
|
6797.57m3/d，
|
2、直羅組
直羅組和延安組被礦井回采擾動後，其含水層水直接進入礦井並被疏幹。采用承壓轉無壓計算公式，如下：
公式（2-3-4）
公式（2-3-5）
公式（2-3-6）
其中：K：滲透係數，m/d；
M：含水層厚度，m；
H：疏降水頭高度，m；
R0：引用半徑，m；
：預測區折算半徑（同前）m；
R：影響半徑，m；
F：預測區麵積，Km2；
H：潛水含水層水位，h=0m。
直羅組含水層參數選取及湧水量計算結果見表2-3-3。
表2-3-3 ZF205工作麵直羅組湧水量計算參數表
參數
|
參數值
|
備注
|
K
|
0.0059m/d
|
據以往資料
|
r0
|
384.83m
|
|
M
|
30.97m
|
|
H
|
500.32m
|
延安組含水層的靜止水位標高為+1040.32m，ZF205工作麵4煤底板標高最低為+535.4m。
|
R
|
384.30m
|
|
R0
|
769.13m
|
|
Q
|
10.08 m3/h
|
242.03 m3/d
|
3、延安組
延安組含水層湧水量計算與直羅組含水層類似，結果見表2-3-4。
表2-3-4 ZF205工作麵延安組湧水量計算參數表
參數
|
參數值
|
備注
|
K
|
0.0025m/d
|
據以往資料
|
r0
|
384.83m
|
|
M
|
77.79m
|
|
H
|
500.32m
|
直羅組含水層的靜止水位標高為+1060.32m，ZF205工作麵4煤底板標高最低為+535.4m。
|
R
|
250.16m
|
|
R0
|
634.99m
|
|
Q
|
10.21 m3/h
|
245.16 m3/d
|
4、小結
二采區ZF205工作麵湧水量“大井”法計算結果見表2-3-5。
表2-3-5 ZF205工作麵湧水量“大井法”預計結果
含水層名稱
|
湧水量（m3/h）
|
白堊係洛河組
|
283.23
|
侏羅係直羅組
|
10.08
|
侏羅係延安組
|
10.21
|
合計
|
303.52
|
綜上：“大井”法預計ZF205工作麵湧水量為303.52 m3/h。
2.3.3集水廊道法
當井下水平巷道排水時，沿巷道的兩側含水層中的水位下降，這與地下水流向水平集水建築物的情況類似，因而可以利用地下水動力學的公式，計算水平巷道的湧水量。
選取承壓——潛水型計算公式，如下：
（公式2-3-7）
式中：Q：水平巷道湧水量（m3/d）；
K：滲透係數（m/d）；
M：承壓含水層的厚度（m）；
S：水平巷道的水位降低值(m)；
R：影響半徑（m）；
L：集水廊道的總長（m）；
各含水層參數選取同前。其中，集水廊道法計算時洛河組水位應下降至廊道底部，即煤層底板標高。洛河組水位標高為+933.34m，4煤底板標高最低為+535.4m，洛河組水位降低380.34m。相應的，計算的影響半徑數值也不同。預測結果見表5-6。
表2-3-6各含水層參數取值及集水廊道法湧水量計算結果
含水層
|
厚度
（m）
|
滲透係數
Km/d
|
水位降低值（m）
|
集水廊道總長（m）
|
湧水量
（m3/h）
|
洛河組
|
211.41
|
0.0152
|
380.34
|
2888
|
229.35
|
直羅組
|
30.97
|
0.0059
|
500.32
|
2888
|
27.74
|
延安組
|
77.79
|
0.0025
|
500.32
|
2888
|
43.17
|
合計
|
300.26
|
||||
綜上：采用“集水廊道法”預測ZF205工作麵湧水量為300.26 m3/h。
2.3.4預計結果評價
“大井”法和儲水廊道法預計的ZF205工作麵湧水量見下表2-3-7。
表2-3-7 “大井”法和集水廊道法湧水量計算結果
預計方法
|
含水層
|
湧水量
|
|
“大井”法
|
洛河組
|
283.23
|
|
直羅組
|
10.08
|
|
|
延安組
|
10.21
|
|
|
合計
|
303.52
|
|
|
集水廊道法
|
洛河組
|
229.35
|
|
直羅組
|
27.74
|
|
|
延安組
|
43.17
|
|
|
合計
|
300.26
|
|
通過計算，“大井”法得出工作麵湧水量為303.52 m3/h；“集水廊道法”得出工作麵湧水量為300.26 m3/h，預計結果較為一致，為安全起見，湧水量數值大者作為ZF205工作麵的正常湧水量，即303.52 m3/h。
根據實際經驗，建議ZF205工作麵最大湧水量取正常湧水量的1.3倍，即394.58 m3/h。
3工作麵概況、巷道布置及支護參數
3.1工作麵概況
ZF205工作麵位於二采區三條大巷北部，西側為二采區未采實體煤，東側為ZF203工作麵，南為三條大巷保護煤柱，北為礦井邊界。工作麵標高在535.4～601.7m之間，地麵標高在+1179.8～+1212.2m之間，埋深610.6～644.4m。
3.2工作麵巷道布置
ZF205工作麵巷道布置為“一進一回”U型布置，如下圖3-2-1所示。
圖3-2-1 205工作麵巷道布置示意圖
3.3巷道支護設計
3.3.1設計原則
針對蔣家河煤礦具體地質生產條件，為了充分發揮錨杆支護的作用，提出以下設計原則：(1)一次支護原則。錨杆支護應盡量一次支護就能有效控製圍岩變形，避免二次或多次支護。(2)高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨杆支護中的關鍵因素，是區別錨杆支護是被動支護還是主動支護的參數，隻有高預應力的錨杆支護才是真正的主動支護，才能充分發揮錨杆支護的作用。(3) “三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。(4)臨界支護強度與剛度原則。錨杆支護係統存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低於臨界值，巷道將長期處於不穩定狀態，圍岩變形與破壞得不到有效控製。因此，設計錨杆支護係統的強度與剛度應大於臨界值。(5)相互匹配原則。錨杆各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數與力學性能應相互匹配，錨杆與錨索的參數與力學性能應相互匹配，以最大限度地發揮錨杆支護的整體支護作用。(6)可操作性原則。提供的錨杆支護設計應具有可操作性，有利於井下施工管理和掘進速度的提高。(7)在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經濟合理，有利於降低巷道支護綜合成本。
3.3.2巷道圍岩應力分布與變形規律模擬分析
預應力是錨杆支護係統的決定性參數。預應力過低，導致錨杆支護產生的附加應力值小，形成的壓應力區範圍小，有效壓應力區孤立分布，不能連成整體。在高預應力下，錨杆支護產生的附加應力場應力值大，形成的壓應力區範圍廣，有效壓應力區幾乎覆蓋了整個頂板，形成有機的整體，錨杆的主動支護作用得到充分發揮（如圖3-3-1）。
預應力選擇原則是：使錨固區不產生明顯離層和拉應力區。比較合理的錨杆預應力取值範圍應達到杆體屈服強度的30-50%。錨杆直徑越大，強度越高，則錨杆預應力越大。
a-預應力20kN b-預應力100kN
圖3-3-1不同錨杆預應力形成的附加應力場分布
隨著錨杆長度增加，壓應力區範圍與厚度增加，錨杆作用範圍擴大。但錨杆長度中上部分的壓應力減小；兩錨杆之間中部圍岩的壓應力減小。在預應力一定的條件下，錨杆越長，預應力的作用越不明顯，主動支護性越差。錨杆越長，施加的預應力應越大。反過來，通過提高預應力，可適當減小錨杆長度。因此，合理的錨杆長度應與錨杆預應力、強度相匹配，形成有效的支護係統，實現良好的支護效果。（如圖3-3-2）。
 |
(a) (b) (c)
圖3-3-2不同錨杆長度的附加應力場分布
(a)-錨杆長度1.8m；(b)-錨杆長度2.4m；(c)-錨杆長度2.8m
錨索的作用主要有兩方麵：一是將錨杆支護形成的次生承載結構與深部圍岩相連，提高次生承載結構的穩定性，同時調動深部圍岩的承載能力，使更大範圍內的岩體共同承載；二是錨索施加較大預緊力，提供有效壓應力，與錨杆形成的壓應力區形成骨架網絡結構，保持圍岩完整性，減小圍岩強度降低。（如圖3-3-3）
a-錨索支護b-錨杆與錨索支護
圖3-3-3錨索、錨杆與錨索預應力形成的附加應力場分布
在一定預應力下，單根錨杆周圍形成了類似錐形的壓應力分布區域，壓應力在錨杆尾部附近最大，錨固起始處附近次之，錨杆自由段中部較小，錨杆端部處於近零應力和較小的拉應力狀態。錨杆間距過大，單根錨杆形成的錐形壓應力區域彼此是獨立的，不能形成整體支護結構。隨著錨杆間距縮小，單根錨杆形成的錐形壓應力區逐漸靠近、相互疊加，連成一體，形成整體支護結構，當錨杆增加到一定程度，再增加支護密度，對有效壓應力區擴大、錨杆預應力的擴散作用變得不明顯。
為了確定錨杆支護的間排距，主要對ZF205回順掘進期間進行以下7個方案進行模擬對比：
①無支護；
②頂錨杆間排距：800×800mm，幫部錨杆間排距：800×800mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
③頂錨杆間排距：800×900mm，幫部錨杆間排距：800×900mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
④頂錨杆間排距：800×1000mm，幫部錨杆間排距：800×1000mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
⑤頂錨杆間排距：700×900mm，幫部錨杆間排距：700×900mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
⑥頂錨杆間排距：1100×900mm，幫部錨杆間排距：1100×900mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
⑦頂錨杆間排距：800×900mm，幫部錨杆間排距：800×900mm，頂錨索布置方式：兩排兩根錨索，幫錨索布置方式：一排兩根；
⑧頂錨杆間排距：800×900mm，幫部錨杆間排距：800×900mm，無頂錨索和幫錨索。以上8模擬方案，如下表所示。
表3-3-1八種不同的模擬方案對比
|
頂錨杆間×排距
|
幫錨杆間×排距
|
頂錨索
|
幫錨索
|
方案1
|
／
|
／
|
／
|
／
|
方案2
|
800×800
|
800×800
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案3
|
800×900
|
800×900
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案4
|
800×1000
|
800×1000
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案5
|
700×900
|
700×900
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案6
|
1100×900
|
1100×900
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案7
|
800×900
|
800×900
|
兩排兩根
|
一排兩根
|
方案8
|
800×900
|
800×900
|
／
|
／
|
（1）錨杆排距的模擬結果
通過方案1、方案2、方案3和方案4的模擬結果，確定蔣家河ZF205工作麵回風順槽的錨杆距。確定支護排距的方法為，其他影響因素相同的情況下，改變錨杆支護的排距，分析巷道的變形和應力分布情況。四種不同方案的巷道變形量，如表3-3-2和圖3-3-4—圖3-3-7所示。
表3-3-2四種不同方案巷道變形量
|
頂板下沉量（mm）
|
底鼓量(mm)
|
左幫移近量(mm)
|
右幫移近量(m)
|
方案1
|
827
|
353
|
708
|
709
|
方案2
|
129
|
94
|
139
|
138
|
方案3
|
136
|
96
|
131
|
134
|
方案4
|
155
|
103
|
141
|
143
|
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-4方案1的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-5方案2的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-6方案3的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-7方案4的巷道變形
由表3-3-2和圖3-3-4—圖3-3-7可知：
①打設錨杆對巷道的支護作用十分明顯，方案1支護形式為無支護，相比於方案2錨網索支護，巷道頂底板移近量增加了429%，兩幫移近量增加了412%。因此，錨網索的支護形式能有效控製圍岩變形。
②方案3與方案4相比巷道頂底板移近量減少了10.1%，兩幫移近量減少了6.7%；方案2與方案4相比巷道頂底板移近量減少了13.5%，兩幫移近量減少了2.5%。
由此可知，在正常地質條件下，當排距由1000mm減小到900mm時，巷道頂底板移近量和兩幫移近量都有明顯的改善；當排距由900mm減小到800mm時，巷道頂底板移近量變化很小，並且兩幫移近量還有所增加，即排距小於900mm時，減小排距對支護效果的改善意義不大。
因此，ZF205工作麵回風順槽的最優支護排距為900mm。巷道無支護和采用錨網索支護形式時，圍岩的垂直應力分布如圖3-3-8所示。
a-無支護b-錨網索支護
圖3-3-8巷道圍岩垂直應力分布
（2）錨杆間距的模擬結果
通過方案3、方案5和方案6的模擬結果，確定蔣家河ZF205工作麵回風順槽的錨杆間距。錨杆的間距由巷道的斷麵尺寸和錨杆的根數決定，因此，在巷道斷麵不變的情況下，隻有通過改變錨杆的根數來模擬不同支護間距的效果。方案2（間距800mm）頂錨杆為5根，幫錨杆為8根（兩幫各4根）；方案5（間距700mm）頂錨杆6根，幫錨杆10根（兩幫各5根）；方案6（間距1100mm）頂錨杆4根，幫錨杆6根（兩幫各3根）。
確定支護間距的方法為，其他影響因素相同的情況下，改變錨杆的支護間距，分析巷道的變形和應力分布情況。兩種不同方案的巷道變形量，如表3-3-3、圖3-3-9和圖3-3-10所示。
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-9方案5的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-10方案6的巷道變形
表3-3-3三種不同方案巷道變形量
|
頂板下沉量（mm）
|
底鼓量(mm)
|
左幫移近量(mm)
|
右幫移近量(m)
|
方案3
|
136
|
96
|
131
|
134
|
方案5
|
130
|
97
|
126
|
126
|
方案6
|
153
|
100
|
159
|
163
|
由表3-3-3、圖3-3-9和圖3-3-10可知：
方案3與方案6相比（間距800mm與間距1100mm相比），巷道頂底板移近量減少了8.3%，巷道兩幫移近量減少了17.7%。方案5與方案3相比（間距700mm與間距800mm相比），巷道頂底板移近量減少了2.1%，巷道兩幫移近量減少了4.9%。
由此可知，當頂錨杆為5根，幫錨杆為8根時巷道的支護效果比頂錨杆為4根，幫錨杆為6根時巷道的支護效果有明顯的改善；當頂錨杆為5根，幫錨杆為4根時巷道的支護效果與頂錨杆為6根，幫錨杆為10根時巷道的支護效果相差不大，即錨杆支護間距小於800mm時，錨杆密度進一步增加對改善巷道的支護效果意義不大。
因此，ZF205工作麵回風順槽的最優支護間距為800mm。
（3）錨索間、排距的模擬結果
通過方案3、方案7和方案8的模擬結果，確定蔣家河ZF205工作麵回風順槽的錨杆索的間排距。方案3的頂錨索布置方式為：四排三根（“一二一”布置）；幫錨索布置方式為：兩排兩根。方案7的頂錨索布置方式為：兩排兩根；幫錨索布置方式為：一排兩根。方案8不布置頂錨索和幫錨索。三種不同方案的巷道變形量如表3-3-4、圖3-3-11和圖3-3-12所示。
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-11方案7的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-12方案8的巷道變形
表3-3-4三種不同方案巷道變形量
|
頂板下沉量（mm）
|
底鼓量(mm)
|
左幫移近量(mm)
|
右幫移近量(m)
|
方案3
|
136
|
96
|
131
|
134
|
方案7
|
125
|
87
|
123
|
125
|
方案8
|
176
|
109
|
146
|
147
|
由表3-3-4、圖3-3-11和圖3-3-12可知：
方案3與方案8相比，巷道頂底板移近量減小了18.6%（“一二一”布置方式和無錨索相比），巷道兩幫移近量減小了10%（兩排兩根和無錨索相比）；方案7與方案3相比，巷道頂底板移近量減小了8.6%（兩排兩根布置方式與“一二一”布置方式相比），巷道兩幫移近量減小了6.4%（一排兩根布置方式與兩排兩根布置方式相比）。
由此可知，巷道頂錨索布置方式為“一二一“布置時，巷道頂板頂底板變形量與兩排兩根布置放式頂底板變形量相差不大，再增加頂錨索密度對支護效果意義不大；巷道幫錨索采用兩排兩根的支護效果不是很明顯，並且根據井下實際條件可知，工作麵順槽的兩幫移近量達到2.0m左右，嚴重影響工作麵通風及運輸的要求。並且，順槽的變形特征為巷幫從上部到下部變形明顯增加，即越靠近底板位置變形量越大，靠近頂板位置變形較小。因此，應有針對性的對順槽的幫部進行補強支護，即重點加強巷幫中下部的支護強度。結合數值模擬和現場變形情況可知，應通過增加補強錨索的數量和改變錨索打設的位置，加強ZF205工作麵回風順槽兩幫的支護強度，巷道幫部錨索采用每兩排四根的布置方式。
最終確定，ZF205工作麵回風順槽的錨索布置方式定為，頂錨索：四排三根（“一二一“布置），幫錨索：兩排四根布置。
通過對各個支護參數的數值模擬結果分析可知，ZF205工作麵回風順槽的最優支護方案為：頂錨杆間排距：900×900mm，幫部錨杆間排距：900×800mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排四根。
3.3.3回風順槽支護設計
回風順槽設計斷麵為矩形，寬4.5 m，高3.1 m，方位角345°，長1612m，用於回風、運料、行人。回風順槽支護采用錨網支護，頂板采用錨杆配合托梁支護，托梁間距0.9m，錨杆間排距0.9×0.9m，每根托梁布置5根錨杆，頂錨索“三排五花”布置，排距1.5m，間距1.8m，巷中一排，兩邊錨索距巷幫各0.75m，錨索規格為Φ22×7300mm；幫錨杆四排布置，間排距0.9×0.9m，錨杆規格為Φ22×2400mm；幫錨索兩排布置，間排距0.9×1.05m，下排錨索距離底板0.5m，上排錨索距離底板1.55m，錨索規格為Φ22×4300mm；具體如下圖所示。
回風順槽支護斷麵示意圖
3.3.4運輸順槽支護設計
運輸順槽設計斷麵為矩形，寬5.0 m，高3.1 m，方位角345°，長1671m，用於進風、運煤、運料、行人。該巷從二采區皮帶大巷開口。運輸順槽支護用錨網支護，頂板采用錨杆配合托梁支護，托梁間距0.9 m，錨杆間排距0.9×0.9m，每根托梁布置6根錨杆，幫錨杆三排布置，間排距0.9×1.1m，錨杆規格為Φ22×2400mm；頂錨索“三排五花”布置，排距1.5m，間距1.8m，巷中一排，兩邊錨索距巷幫各1.0m，錨索規格為Φ22×7300mm。具體如下圖所示：
運輸順槽斷麵示意圖
3.3.5切眼支護設計
切眼斷麵設計為矩形，寬8.0 m，方位角為255°，長151m（中對中）；支護采用錨網支護、錨索補強，頂板采用錨杆配合托梁支護，托梁間距0.9 m，錨杆間排距0.9×0.8m，每排托梁布置10根錨杆，錨杆規格為Φ22×2400mm；幫錨杆三排布置，間排距0.9×1.1 m，上排錨杆距頂板0.4m，下排錨杆距底板0.5m，錨杆規格為Φ16×1800mm。頂板錨索共布置7排布置，排距1.2m，間距1.8m，兩幫錨索距巷幫各0.4m，錨索規格為Φ22×7300mm。具體如下圖所示。
1總論
1.1概況
蔣家河井田位於陝西彬長礦區南部，地處陝西省彬縣車家莊鄉，該煤礦隸屬彬縣煤炭有限責任公司管轄。
彬縣煤炭有限責任公司屬地方國有煤礦，股份合作製企業，企業經過多年的艱苦創業，大力實施科技興企戰略，煤炭開采技術達到國內先進水平，經營管理邁上新台階，在拉動地方經濟發展中起到了領軍作用。
1.2編製依據
1、《陝西黃隴侏羅紀煤田彬長礦區蔣家河井田勘探地質報告》
——陝西省煤田地質局186隊
2、《彬縣煤炭有限責任公司蔣家河煤礦初步設計》
——中煤西安設計院
3、《煤礦瓦斯抽采工程設計規範》（GB 50471-2008）
——住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫局聯合發布
4、礦井瓦斯湧出量預測方法（AQ1018-2006）
——國家安全生產監督管理總局
5、瓦斯抽采基本指標 （AQ1026-2006）
——國家安全生產監督管理總局
6、煤礦瓦斯抽采規範 （AQ1027-2006）
——國家安全生產監督管理總局
7、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》
8、2015年礦井瓦斯等級鑒定報告
9、2016新版《煤礦安全01manbetx
》——煤炭工業出版社
10、《蔣家河煤礦二采區4#煤煤岩衝擊傾向性鑒定報告》
——中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室
11、《陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦煤塵爆炸性鑒定報告》
——煤炭科學研究總院沈陽研究院
12、《陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦煤自燃傾向性鑒定報告》
——煤炭科學研究總院沈陽研究院
13、《采礦工程設計手冊》——煤炭工業出版社
14、《蔣家河煤礦ZF201泄水巷錨杆支護初始設計》
——天地科技股份有限公司
15、《陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦ZF1410工作麵“兩帶”高度實測與分析報告》——天地科技股份有限公司
16、《煤炭工業礦井監測監控係統裝備配置標準》（GB 50581--2010）
——住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫局聯合發布
17、《煤礦安全監控係統及檢測儀器使用管理規範》(AQ 1029-2007)
——國家安全生產監督管理總局
1.3設計指導思想
遵循科學發展觀，實現數量增長與優化結構、提高質量、改善效益相統一；堅持可持續發展，統籌人與自然的和諧發展；做到生產建設與資源利用、環境保護相統一；堅持以人為本，保障安全生產，促進“西部大開發”戰略在本區實現。因此，本設計的指導思想為，堅持以經濟效益為中心，依靠科技進步，本著高起點、新機製、投資少、效率高的原則，采用先進設備、先進工藝、先進技術，將該工作麵建設成高產高效的現代化工作麵。
1.4設計概況
ZF205工作麵位於二采區三條大巷的北側，南端為二采區三條大巷護巷煤柱，西側為二采區未采實煤體，東側為ZF203工作麵采空區，北鄰礦井邊界保護煤柱。該工作麵上部對應地表為棗林村、棗林公路。
工作麵標高在+535.4～+601.7m之間，地麵標高在+1212.2～+1179.8m之間，工作麵埋深約610.6～644.4m，根據中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的鑒定結果，蔣家河煤礦二采區4#煤層及煤層頂板具有弱衝擊傾向性。
ZF205工作麵布置兩條巷道，分別為運輸順槽、回風順槽；兩順槽方位角均為345°，兩條巷道均布置在4＃煤層中。工作麵走向長1524m，傾斜長151m，留設大巷保護煤柱100m，可采走向長1420m，回采麵積為1420*151=214420m²。根據ZF203兩順槽掘進期間的煤層揭露及鑽孔煤層厚度探測，開采區域煤層平均厚度約為6.2m，最大厚度為8.4m，最小厚度為4.0m。工作麵地質儲量為196.9萬噸，可采儲量為148.8萬噸，回采率85.0％，計劃平均月產6.28萬噸，平均月推進度73.6m，可采期為20個月。、
2工作麵地質條件
工作麵地質條件如下表2-1所述。
表2-1 工作麵地質條件彙總表
工作麵名稱
|
205綜采放頂煤工作麵
|
||||||||
覆蓋層厚度
及岩性
|
覆蓋層厚度為610.6～644.4m，以灰白色粉砂岩為主。
|
||||||||
工作麵四周
及護巷煤柱
|
工作麵西為二采區未采實體煤，南為二采區三條大巷，東為ZF203工作麵，北為礦井邊界。
|
||||||||
工作麵回采率
|
85.0%
|
||||||||
工作麵要素
|
最大（m）
|
最小（m）
|
平均值（m）
|
工作麵儲量(萬噸)
|
|||||
走向長度
|
1524
|
1524
|
1524
|
地質儲量
|
可采儲量
|
||||
傾斜長度
|
151
|
151
|
151
|
196.9
|
148.8
|
||||
煤層厚度
|
8.4
|
4.0
|
6.2
|
/
|
/
|
||||
矸石厚度
|
0.25
|
0.1
|
0.4
|
/
|
|||||
煤質情況
|
水份%
|
含硫%
|
揮發分%
|
灰份%
|
發熱量MJ/Kg
|
||||
3.16
|
0.44
|
32.31
|
15.95
|
26.37
|
|||||
水
文
情
況
|
本區地層平緩，未發現較大斷層，地質構造簡單。主采煤層（4煤）底板標高540.0m～640.6m，埋深655～343.4m，位於當地侵蝕基準麵以下。煤層下賦岩層含水微弱，可視為相對隔水層。煤層直接充水含水層為侏羅係中統直羅組砂岩裂隙含水層（IX）以及侏羅係中統延安組煤層及其頂板砂岩含水層（X），充水方式為頂板進水。各直接充水含水層埋藏深，裂隙不甚發育，導水性差，以裂隙充水為主。井田內主要含水層為河穀區潛水含水層和宜君、洛河組砂岩含水層。因煤層埋藏深，井田內無小窯開采後的導水裂隙帶直接滲入井下的可能。
|
||||||||
煤層埋藏要素及煤層厚度變化情況
|
工作麵位於4＃煤層，4#煤層位於延安組底部，煤層大致埋藏深度為610.6～644.4m，該麵中部有一走向SN的向斜構造，西翼傾向NW，傾角2～6°，東翼傾向SE，傾角2～10°，煤層傾角變化較大。4煤層厚度變化較大，局部含一層夾矸。4煤層為條帶狀、均一狀、線理狀結構，煤層以暗淡、半暗型煤為主，夾半亮型煤，其上部為暗淡型煤夾半暗、半亮型煤，下部為半暗型煤夾半亮型煤。
|
||||||||
瓦斯等級
鑒定結果
|
根據《2015年礦井瓦斯等級鑒定報告》，絕對瓦斯湧出量為37.75m3/min，相對瓦斯湧出量14.19m3/t，屬於高瓦斯礦井。（見附件1）
|
||||||||
煤自燃等級
鑒定結果
|
煤層自然發火期為3－5個月，根據2012年10月煤炭科學研究總院沈陽研究院提交的《蔣家河煤礦煤自燃傾向性等級鑒定報告》，礦區4#煤層屬Ⅱ類自燃煤層。（見附件2）
|
||||||||
煤塵爆炸性
鑒定結果
|
根據2012年11月煤炭科學研究總院沈陽研究院提交的《蔣家河煤礦煤塵爆炸性鑒定報告》，礦區4#煤層的煤塵有爆炸性。（見附件3）
|
||||||||
煤岩層衝擊傾向性鑒定結果
|
根據2015年9月中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的鑒定結果，蔣家河煤礦二采區4#煤層具有弱衝擊傾向性；4#煤層頂板具有弱衝擊傾向性；（見附件5）
根據2016年8月天地科技股份有限公司開采事業部衝擊危險性評估結果，蔣家河煤礦二采區三條大巷有若衝擊危險性。（見附件6）
|
||||||||
頂底板特征
|
偽頂
|
泥岩，厚約1.5 m。
|
|||||||
直接頂
|
砂質泥岩、泥岩，厚約13m。
|
||||||||
老頂
|
灰色粉砂岩，厚約14 m。
|
||||||||
底板
|
炭質泥岩、鋁質泥岩，厚約，4～10 m。
|
||||||||
備注
|
煤層特征見附圖一：4＃煤層綜合柱狀圖。
|
||||||||
2.1含水層情況
根據《蔣家河井田勘探地質報告》及S1號水文鑽孔柱狀圖分析，本區內有三個主要含水層。
1、白堊係下統洛河組砂礫岩含水層：含水層深度在207.15m-426.97m，含水層厚度219.82m；ZF205工作麵埋深約610.6～644.4m，低於含水層水位。該含水層岩性以紫紅色～暗紫色中、粗粒砂岩為主，礫岩、砂礫岩次之。含水層主要由中、粗粒砂岩組成；據S1鑽孔抽水試驗結果：白堊係含水層平均單位湧水量0.0483L/s·m，富水性不均一，屬中等富水含水層。
根據《陝西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦ZF1410工作麵“兩帶”高度實測與分析報告》可知，二采區預計的導水裂縫帶最大高度為31.00～345.46m，平均為145.58m。二采區參與計算的16個鑽孔中，導高波及洛河組有8個，占比50%。波及深度35.75～142.80m，平均為72.29m。從4-1和S1鑽孔的情況來看，均波及到洛河組含水層，ZF205工作麵到4-1和S1鑽孔位置較近，該工作麵導高依據4-1和S1鑽孔預測數據為參考依據。因此ZF205工作麵在開采過程中導高會波及到洛河組含水層，工作麵開采期間要做好防治水工作。
2、侏羅係中統直羅組砂岩含水層：從4-1鑽孔柱狀圖看，該含水層水位在408.24—435.66m範圍內，厚約27.42m。岩性為淺灰綠色中～粗粒長石石英砂岩，夾灰綠色泥岩、砂質泥岩。
3、侏羅係中統延安組煤層及其頂板砂岩含水層：該含水層位於直羅組之下，4#煤層位於該含水層之內，含水層水位在435.66—535.27m範圍內，岩性以中粗粒砂岩為主，是主要的含水層。
2.2 ZF205工作麵地質及水文地質開采條件評價
1、ZF205工作麵位於趙坡向斜東翼，未見較大斷裂帶及其他構造地質體，地質構造簡單。
2、工作麵煤層直接充水含水層為侏羅係中統直羅組砂岩裂隙含水層，以及侏羅係中統延安組煤層及其頂板砂岩含水層，充水方式為頂板進水。
3、井田水文地質勘探類型屬以裂隙充水為主，水文地質條件類型劃分為“中等”。
2.3 ZF205工作麵湧水量預計
ZF205工作麵湧水量主要采用解析法中的“大井”法和“集水廊道法”預計。
2.3.1參數的選取
二采區ZF205工作麵4號煤層底板標高為+535.4～+601.7m。結合最新進行的地質鑽探及抽水試驗工作，合理選取各含水層的水文參數選取，見表2-3-1。
表2-3-1 ZF205工作麵範圍各含水層參數選取
參數
含水層
|
滲透係數K（m/d）
|
含水層厚度（m）
|
水位標高（m）
|
|||
依據
|
取值
|
依據
|
取值
|
依據
|
取值
|
|
洛河組
|
S1抽水試驗
|
0.0152
|
S1
4-1
|
211.41
|
S1抽水
試驗
|
+933.34
|
直羅組
|
水165、S1
|
0.0059
|
S1
4-1
|
30.97
|
S1抽水
試驗
|
+1040.32
|
延安組
|
5-2、水D20、
水D30、S1
|
0.0025
|
S1
4-1
|
77.79
|
S1抽水
試驗
|
+1040.32
|
”
1、洛河組
洛河組部分被波及，但水量不會被疏幹，按洛河組地下水水位下降50m預計其進入礦井的水量。采用承壓水公式，如下：
公式（2-3-1）
公式（2-3-2）
其中：R：影響半徑（m）；
r0:引用半徑（m）；
F：計算區域麵積(m2)；
K：滲透係數（m/d）；
M：含水層厚度(m)；
S：水位降深(m)；
Q：湧水量（m3/h）。
二采區ZF205工作麵形狀為矩形，因此：
公式（2-3-3）
其中工作麵寬度為151m，長度為1420m，而b/a的值約為0.11，介於0~ 0.20之間，因此取值1.066，計算可得384.84m。
洛河組含水層參數選取及湧水量計算結果見表2-3-2。
表2-3-2 ZF205工作麵洛河組湧水量計算參數表
參數
|
參數值
|
備注
|
K
|
0.0152m/d
|
|
r0
|
384.84m
|
|
M
|
211.41m
|
|
S
|
50.00m
|
|
R
|
61.64m
|
|
R0
|
446.47m
|
|
Q
|
283.23m3/h
|
6797.57m3/d，
|
2、直羅組
直羅組和延安組被礦井回采擾動後，其含水層水直接進入礦井並被疏幹。采用承壓轉無壓計算公式，如下：
公式（2-3-4）
公式（2-3-5）
公式（2-3-6）
其中：K：滲透係數，m/d；
M：含水層厚度，m；
H：疏降水頭高度，m；
R0：引用半徑，m；
：預測區折算半徑（同前）m；
R：影響半徑，m；
F：預測區麵積，Km2；
H：潛水含水層水位，h=0m。
直羅組含水層參數選取及湧水量計算結果見表2-3-3。
表2-3-3 ZF205工作麵直羅組湧水量計算參數表
參數
|
參數值
|
備注
|
K
|
0.0059m/d
|
據以往資料
|
r0
|
384.83m
|
|
M
|
30.97m
|
|
H
|
500.32m
|
延安組含水層的靜止水位標高為+1040.32m，ZF205工作麵4煤底板標高最低為+535.4m。
|
R
|
384.30m
|
|
R0
|
769.13m
|
|
Q
|
10.08 m3/h
|
242.03 m3/d
|
3、延安組
延安組含水層湧水量計算與直羅組含水層類似，結果見表2-3-4。
表2-3-4 ZF205工作麵延安組湧水量計算參數表
參數
|
參數值
|
備注
|
K
|
0.0025m/d
|
據以往資料
|
r0
|
384.83m
|
|
M
|
77.79m
|
|
H
|
500.32m
|
直羅組含水層的靜止水位標高為+1060.32m，ZF205工作麵4煤底板標高最低為+535.4m。
|
R
|
250.16m
|
|
R0
|
634.99m
|
|
Q
|
10.21 m3/h
|
245.16 m3/d
|
4、小結
二采區ZF205工作麵湧水量“大井”法計算結果見表2-3-5。
表2-3-5 ZF205工作麵湧水量“大井法”預計結果
含水層名稱
|
湧水量（m3/h）
|
白堊係洛河組
|
283.23
|
侏羅係直羅組
|
10.08
|
侏羅係延安組
|
10.21
|
合計
|
303.52
|
綜上：“大井”法預計ZF205工作麵湧水量為303.52 m3/h。
2.3.3集水廊道法
當井下水平巷道排水時，沿巷道的兩側含水層中的水位下降，這與地下水流向水平集水建築物的情況類似，因而可以利用地下水動力學的公式，計算水平巷道的湧水量。
選取承壓——潛水型計算公式，如下：
（公式2-3-7）
式中：Q：水平巷道湧水量（m3/d）；
K：滲透係數（m/d）；
M：承壓含水層的厚度（m）；
S：水平巷道的水位降低值(m)；
R：影響半徑（m）；
L：集水廊道的總長（m）；
各含水層參數選取同前。其中，集水廊道法計算時洛河組水位應下降至廊道底部，即煤層底板標高。洛河組水位標高為+933.34m，4煤底板標高最低為+535.4m，洛河組水位降低380.34m。相應的，計算的影響半徑數值也不同。預測結果見表5-6。
表2-3-6各含水層參數取值及集水廊道法湧水量計算結果
含水層
|
厚度
（m）
|
滲透係數
Km/d
|
水位降低值（m）
|
集水廊道總長（m）
|
湧水量
（m3/h）
|
洛河組
|
211.41
|
0.0152
|
380.34
|
2888
|
229.35
|
直羅組
|
30.97
|
0.0059
|
500.32
|
2888
|
27.74
|
延安組
|
77.79
|
0.0025
|
500.32
|
2888
|
43.17
|
合計
|
300.26
|
||||
綜上：采用“集水廊道法”預測ZF205工作麵湧水量為300.26 m3/h。
2.3.4預計結果評價
“大井”法和儲水廊道法預計的ZF205工作麵湧水量見下表2-3-7。
表2-3-7 “大井”法和集水廊道法湧水量計算結果
預計方法
|
含水層
|
湧水量
|
|
“大井”法
|
洛河組
|
283.23
|
|
直羅組
|
10.08
|
||
延安組
|
10.21
|
||
合計
|
303.52
|
||
集水廊道法
|
洛河組
|
229.35
|
|
直羅組
|
27.74
|
||
延安組
|
43.17
|
||
合計
|
300.26
|
通過計算，“大井”法得出工作麵湧水量為303.52 m3/h；“集水廊道法”得出工作麵湧水量為300.26 m3/h，預計結果較為一致，為安全起見，湧水量數值大者作為ZF205工作麵的正常湧水量，即303.52 m3/h。
根據實際經驗，建議ZF205工作麵最大湧水量取正常湧水量的1.3倍，即394.58 m3/h。
3工作麵概況、巷道布置及支護參數
3.1工作麵概況
ZF205工作麵位於二采區三條大巷北部，西側為二采區未采實體煤，東側為ZF203工作麵，南為三條大巷保護煤柱，北為礦井邊界。工作麵標高在535.4～601.7m之間，地麵標高在+1179.8～+1212.2m之間，埋深610.6～644.4m。
3.2工作麵巷道布置
ZF205工作麵巷道布置為“一進一回”U型布置，如下圖3-2-1所示。
圖3-2-1 205工作麵巷道布置示意圖
3.3巷道支護設計
3.3.1設計原則
針對蔣家河煤礦具體地質生產條件，為了充分發揮錨杆支護的作用，提出以下設計原則：(1)一次支護原則。錨杆支護應盡量一次支護就能有效控製圍岩變形，避免二次或多次支護。(2)高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨杆支護中的關鍵因素，是區別錨杆支護是被動支護還是主動支護的參數，隻有高預應力的錨杆支護才是真正的主動支護，才能充分發揮錨杆支護的作用。(3) “三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。(4)臨界支護強度與剛度原則。錨杆支護係統存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低於臨界值，巷道將長期處於不穩定狀態，圍岩變形與破壞得不到有效控製。因此，設計錨杆支護係統的強度與剛度應大於臨界值。(5)相互匹配原則。錨杆各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數與力學性能應相互匹配，錨杆與錨索的參數與力學性能應相互匹配，以最大限度地發揮錨杆支護的整體支護作用。(6)可操作性原則。提供的錨杆支護設計應具有可操作性，有利於井下施工管理和掘進速度的提高。(7)在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經濟合理，有利於降低巷道支護綜合成本。
3.3.2巷道圍岩應力分布與變形規律模擬分析
預應力是錨杆支護係統的決定性參數。預應力過低，導致錨杆支護產生的附加應力值小，形成的壓應力區範圍小，有效壓應力區孤立分布，不能連成整體。在高預應力下，錨杆支護產生的附加應力場應力值大，形成的壓應力區範圍廣，有效壓應力區幾乎覆蓋了整個頂板，形成有機的整體，錨杆的主動支護作用得到充分發揮（如圖3-3-1）。
預應力選擇原則是：使錨固區不產生明顯離層和拉應力區。比較合理的錨杆預應力取值範圍應達到杆體屈服強度的30-50%。錨杆直徑越大，強度越高，則錨杆預應力越大。
a-預應力20kN b-預應力100kN
圖3-3-1不同錨杆預應力形成的附加應力場分布
隨著錨杆長度增加，壓應力區範圍與厚度增加，錨杆作用範圍擴大。但錨杆長度中上部分的壓應力減小；兩錨杆之間中部圍岩的壓應力減小。在預應力一定的條件下，錨杆越長，預應力的作用越不明顯，主動支護性越差。錨杆越長，施加的預應力應越大。反過來，通過提高預應力，可適當減小錨杆長度。因此，合理的錨杆長度應與錨杆預應力、強度相匹配，形成有效的支護係統，實現良好的支護效果。（如圖3-3-2）。
|
(a) (b) (c)
圖3-3-2不同錨杆長度的附加應力場分布
(a)-錨杆長度1.8m；(b)-錨杆長度2.4m；(c)-錨杆長度2.8m
錨索的作用主要有兩方麵：一是將錨杆支護形成的次生承載結構與深部圍岩相連，提高次生承載結構的穩定性，同時調動深部圍岩的承載能力，使更大範圍內的岩體共同承載；二是錨索施加較大預緊力，提供有效壓應力，與錨杆形成的壓應力區形成骨架網絡結構，保持圍岩完整性，減小圍岩強度降低。（如圖3-3-3）
a-錨索支護b-錨杆與錨索支護
圖3-3-3錨索、錨杆與錨索預應力形成的附加應力場分布
在一定預應力下，單根錨杆周圍形成了類似錐形的壓應力分布區域，壓應力在錨杆尾部附近最大，錨固起始處附近次之，錨杆自由段中部較小，錨杆端部處於近零應力和較小的拉應力狀態。錨杆間距過大，單根錨杆形成的錐形壓應力區域彼此是獨立的，不能形成整體支護結構。隨著錨杆間距縮小，單根錨杆形成的錐形壓應力區逐漸靠近、相互疊加，連成一體，形成整體支護結構，當錨杆增加到一定程度，再增加支護密度，對有效壓應力區擴大、錨杆預應力的擴散作用變得不明顯。
為了確定錨杆支護的間排距，主要對ZF205回順掘進期間進行以下7個方案進行模擬對比：
①無支護；
②頂錨杆間排距：800×800mm，幫部錨杆間排距：800×800mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
③頂錨杆間排距：800×900mm，幫部錨杆間排距：800×900mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
④頂錨杆間排距：800×1000mm，幫部錨杆間排距：800×1000mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
⑤頂錨杆間排距：700×900mm，幫部錨杆間排距：700×900mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
⑥頂錨杆間排距：1100×900mm，幫部錨杆間排距：1100×900mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排兩根；
⑦頂錨杆間排距：800×900mm，幫部錨杆間排距：800×900mm，頂錨索布置方式：兩排兩根錨索，幫錨索布置方式：一排兩根；
⑧頂錨杆間排距：800×900mm，幫部錨杆間排距：800×900mm，無頂錨索和幫錨索。以上8模擬方案，如下表所示。
表3-3-1八種不同的模擬方案對比
頂錨杆間×排距
|
幫錨杆間×排距
|
頂錨索
|
幫錨索
|
|
方案1
|
／
|
／
|
／
|
／
|
方案2
|
800×800
|
800×800
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案3
|
800×900
|
800×900
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案4
|
800×1000
|
800×1000
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案5
|
700×900
|
700×900
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案6
|
1100×900
|
1100×900
|
四排三根
|
兩排兩根
|
方案7
|
800×900
|
800×900
|
兩排兩根
|
一排兩根
|
方案8
|
800×900
|
800×900
|
／
|
／
|
（1）錨杆排距的模擬結果
通過方案1、方案2、方案3和方案4的模擬結果，確定蔣家河ZF205工作麵回風順槽的錨杆距。確定支護排距的方法為，其他影響因素相同的情況下，改變錨杆支護的排距，分析巷道的變形和應力分布情況。四種不同方案的巷道變形量，如表3-3-2和圖3-3-4—圖3-3-7所示。
表3-3-2四種不同方案巷道變形量
頂板下沉量（mm）
|
底鼓量(mm)
|
左幫移近量(mm)
|
右幫移近量(m)
|
|
方案1
|
827
|
353
|
708
|
709
|
方案2
|
129
|
94
|
139
|
138
|
方案3
|
136
|
96
|
131
|
134
|
方案4
|
155
|
103
|
141
|
143
|
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-4方案1的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-5方案2的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-6方案3的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-7方案4的巷道變形
由表3-3-2和圖3-3-4—圖3-3-7可知：
①打設錨杆對巷道的支護作用十分明顯，方案1支護形式為無支護，相比於方案2錨網索支護，巷道頂底板移近量增加了429%，兩幫移近量增加了412%。因此，錨網索的支護形式能有效控製圍岩變形。
②方案3與方案4相比巷道頂底板移近量減少了10.1%，兩幫移近量減少了6.7%；方案2與方案4相比巷道頂底板移近量減少了13.5%，兩幫移近量減少了2.5%。
由此可知，在正常地質條件下，當排距由1000mm減小到900mm時，巷道頂底板移近量和兩幫移近量都有明顯的改善；當排距由900mm減小到800mm時，巷道頂底板移近量變化很小，並且兩幫移近量還有所增加，即排距小於900mm時，減小排距對支護效果的改善意義不大。
因此，ZF205工作麵回風順槽的最優支護排距為900mm。巷道無支護和采用錨網索支護形式時，圍岩的垂直應力分布如圖3-3-8所示。
a-無支護b-錨網索支護
圖3-3-8巷道圍岩垂直應力分布
（2）錨杆間距的模擬結果
通過方案3、方案5和方案6的模擬結果，確定蔣家河ZF205工作麵回風順槽的錨杆間距。錨杆的間距由巷道的斷麵尺寸和錨杆的根數決定，因此，在巷道斷麵不變的情況下，隻有通過改變錨杆的根數來模擬不同支護間距的效果。方案2（間距800mm）頂錨杆為5根，幫錨杆為8根（兩幫各4根）；方案5（間距700mm）頂錨杆6根，幫錨杆10根（兩幫各5根）；方案6（間距1100mm）頂錨杆4根，幫錨杆6根（兩幫各3根）。
確定支護間距的方法為，其他影響因素相同的情況下，改變錨杆的支護間距，分析巷道的變形和應力分布情況。兩種不同方案的巷道變形量，如表3-3-3、圖3-3-9和圖3-3-10所示。
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-9方案5的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-10方案6的巷道變形
表3-3-3三種不同方案巷道變形量
頂板下沉量（mm）
|
底鼓量(mm)
|
左幫移近量(mm)
|
右幫移近量(m)
|
|
方案3
|
136
|
96
|
131
|
134
|
方案5
|
130
|
97
|
126
|
126
|
方案6
|
153
|
100
|
159
|
163
|
由表3-3-3、圖3-3-9和圖3-3-10可知：
方案3與方案6相比（間距800mm與間距1100mm相比），巷道頂底板移近量減少了8.3%，巷道兩幫移近量減少了17.7%。方案5與方案3相比（間距700mm與間距800mm相比），巷道頂底板移近量減少了2.1%，巷道兩幫移近量減少了4.9%。
由此可知，當頂錨杆為5根，幫錨杆為8根時巷道的支護效果比頂錨杆為4根，幫錨杆為6根時巷道的支護效果有明顯的改善；當頂錨杆為5根，幫錨杆為4根時巷道的支護效果與頂錨杆為6根，幫錨杆為10根時巷道的支護效果相差不大，即錨杆支護間距小於800mm時，錨杆密度進一步增加對改善巷道的支護效果意義不大。
因此，ZF205工作麵回風順槽的最優支護間距為800mm。
（3）錨索間、排距的模擬結果
通過方案3、方案7和方案8的模擬結果，確定蔣家河ZF205工作麵回風順槽的錨杆索的間排距。方案3的頂錨索布置方式為：四排三根（“一二一”布置）；幫錨索布置方式為：兩排兩根。方案7的頂錨索布置方式為：兩排兩根；幫錨索布置方式為：一排兩根。方案8不布置頂錨索和幫錨索。三種不同方案的巷道變形量如表3-3-4、圖3-3-11和圖3-3-12所示。
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-11方案7的巷道變形
a-垂直位移b-水平位移
圖3-3-12方案8的巷道變形
表3-3-4三種不同方案巷道變形量
頂板下沉量（mm）
|
底鼓量(mm)
|
左幫移近量(mm)
|
右幫移近量(m)
|
|
方案3
|
136
|
96
|
131
|
134
|
方案7
|
125
|
87
|
123
|
125
|
方案8
|
176
|
109
|
146
|
147
|
由表3-3-4、圖3-3-11和圖3-3-12可知：
方案3與方案8相比，巷道頂底板移近量減小了18.6%（“一二一”布置方式和無錨索相比），巷道兩幫移近量減小了10%（兩排兩根和無錨索相比）；方案7與方案3相比，巷道頂底板移近量減小了8.6%（兩排兩根布置方式與“一二一”布置方式相比），巷道兩幫移近量減小了6.4%（一排兩根布置方式與兩排兩根布置方式相比）。
由此可知，巷道頂錨索布置方式為“一二一“布置時，巷道頂板頂底板變形量與兩排兩根布置放式頂底板變形量相差不大，再增加頂錨索密度對支護效果意義不大；巷道幫錨索采用兩排兩根的支護效果不是很明顯，並且根據井下實際條件可知，工作麵順槽的兩幫移近量達到2.0m左右，嚴重影響工作麵通風及運輸的要求。並且，順槽的變形特征為巷幫從上部到下部變形明顯增加，即越靠近底板位置變形量越大，靠近頂板位置變形較小。因此，應有針對性的對順槽的幫部進行補強支護，即重點加強巷幫中下部的支護強度。結合數值模擬和現場變形情況可知，應通過增加補強錨索的數量和改變錨索打設的位置，加強ZF205工作麵回風順槽兩幫的支護強度，巷道幫部錨索采用每兩排四根的布置方式。
最終確定，ZF205工作麵回風順槽的錨索布置方式定為，頂錨索：四排三根（“一二一“布置），幫錨索：兩排四根布置。
通過對各個支護參數的數值模擬結果分析可知，ZF205工作麵回風順槽的最優支護方案為：頂錨杆間排距：900×900mm，幫部錨杆間排距：900×800mm，頂錨索布置方式：四排三根錨索（“一二一”布置），幫錨索布置方式：兩排四根。
3.3.3回風順槽支護設計
回風順槽設計斷麵為矩形，寬4.5 m，高3.1 m，方位角345°，長1612m，用於回風、運料、行人。回風順槽支護采用錨網支護，頂板采用錨杆配合托梁支護，托梁間距0.9m，錨杆間排距0.9×0.9m，每根托梁布置5根錨杆，頂錨索“三排五花”布置，排距1.5m，間距1.8m，巷中一排，兩邊錨索距巷幫各0.75m，錨索規格為Φ22×7300mm；幫錨杆四排布置，間排距0.9×0.9m，錨杆規格為Φ22×2400mm；幫錨索兩排布置，間排距0.9×1.05m，下排錨索距離底板0.5m，上排錨索距離底板1.55m，錨索規格為Φ22×4300mm；具體如下圖所示。
回風順槽支護斷麵示意圖
3.3.4運輸順槽支護設計
運輸順槽設計斷麵為矩形，寬5.0 m，高3.1 m，方位角345°，長1671m，用於進風、運煤、運料、行人。該巷從二采區皮帶大巷開口。運輸順槽支護用錨網支護，頂板采用錨杆配合托梁支護，托梁間距0.9 m，錨杆間排距0.9×0.9m，每根托梁布置6根錨杆，幫錨杆三排布置，間排距0.9×1.1m，錨杆規格為Φ22×2400mm；頂錨索“三排五花”布置，排距1.5m，間距1.8m，巷中一排，兩邊錨索距巷幫各1.0m，錨索規格為Φ22×7300mm。具體如下圖所示：
運輸順槽斷麵示意圖
3.3.5切眼支護設計
切眼斷麵設計為矩形，寬8.0 m，方位角為255°，長151m（中對中）；支護采用錨網支護、錨索補強，頂板采用錨杆配合托梁支護，托梁間距0.9 m，錨杆間排距0.9×0.8m，每排托梁布置10根錨杆，錨杆規格為Φ22×2400mm；幫錨杆三排布置，間排距0.9×1.1 m，上排錨杆距頂板0.4m，下排錨杆距底板0.5m，錨杆規格為Φ16×1800mm。頂板錨索共布置7排布置，排距1.2m，間距1.8m，兩幫錨索距巷幫各0.4m，錨索規格為Φ22×7300mm。具體如下圖所示。
