綜掘工作面巷道臨時支護技術應用研究

李臣

摘 要：采用傳統的吊環穿前探梁臨時支護方式配合錨桿錨索永久支護下，不能保證馬蘭礦巷道掘進的安全性，通過對掘進巷道空頂距數值模擬計算，改進了臨時支護方案，改進后的臨時支護方案適應性強，與掘進工藝相匹配，保證了掘進的安全性。

關鍵詞：巷道掘進;臨時支護;永久支護;空頂距

隨著礦井采掘設備的快速發展，巷道掘進速度不斷提高。為保證掘進工作安全高效的進行，支護是必要的措施，采用臨時支護和永久支護相配合的方式對圍巖進行控制是最為常見的方式之一。目前，礦井臨時支護多采用吊環穿前探梁支護方式，這種支護方式適應性低，當圍巖應力較大時，極易造成冒頂片幫事故的發生。馬蘭礦28307掘進巷道同樣采用吊環穿前探梁支護方式進行臨時支護，在掘進過程中造成了冒頂片幫事故的發生，影響了掘進的順利進行，通過改進臨時支護方案，實現了支護掘進一體化，保證了掘進的安全性。

1 工程背景

在巷道快速掘進時期，支護是保證安全施工的重要前提。目前對于巷道掘進時期的支護主要有臨時支護和永久支護兩種，通過錨桿錨索進行永久支護是控制圍巖變形的主要支護方法，為了達到快速掘進的目的，很多礦井放棄了臨時支護，造成了冒頂片幫事故的發生。馬蘭礦在巷道掘進的過程中，采用臨時支護和永久支護相配合的方式控制圍巖的變形。28307掘進巷道斷面尺寸為5.1×4.2m，根據巷道尺寸，永久支護方案如下：采用規格為Φ20× 2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，巷道頂部支護間距為1000×1100mm，幫部采用規格為Φ18×2000mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，支護間距為1300×1250mm。

臨時支護方案如下：工作人員通過在錨桿外螺紋上安裝3根前探梁，前探梁直徑為70mm，長度為7m，同時配套6個吊環，吊環由直徑為80mm鋼管加工而成，每個長度為0.2m，將前探梁固定在背頂木板上，安裝過程中，保證前探梁之間的間距在2m左右，且接頂必須緊密。隨著巷道不斷掘進，發現前探梁雖然能及時前竄，但是很難保證與頂板的緊密接觸，當頂板發生變形后，前探梁在被動作用下支撐巷道變形，臨時支護的強度低，造成冒頂片幫事故發生。

2 掘進巷道空頂距優化

以馬蘭礦28307掘進巷道為研究背景，根據錨桿排距的不同分析不同空頂距離下巷道圍巖的變形特征，進而優化支護參數。模型尺寸為X×Y×Z=45m×50m×45m，數值模擬模型圖如圖1中（a）圖所示，模擬流程如下：

①根據錨桿排距的不同，選取空頂距離為0.9m、1.7m、2.3m、3.1m、4m、4.9m以及5.6m的錨桿排距研究圍巖的變形特征;②模型巖層及邊界條件如圖1中（b）圖所示，約束底部水平位移及四周水平方向位移，模型頂部施加初始應力為11MPa，選取側壓系數為1，在模型四周邊界施加應力;③模型中巷道斷面尺寸為5.1×4.2m，根據實際生產經驗，在巷道掘進30m后進行支護，當巷道掘進穩定后，分析圍巖變形破壞特征。

為了更直觀的觀察不同空頂距巷道圍巖的變形特征，將模擬結果繪制成圖2所示的點線圖，從圖中可以看出，隨著空頂距離的增大，底板位移雖然稍有增大，但是基本維持在0左右，幫部位移和頂板位移隨著空頂距離的增加明顯增大。當空頂距離為0.9m時，掘進巷道頂板的最大變形量達到24mm，巷道兩幫最大位移達到26mm;當空頂距離為1.7m時，掘進巷道頂板的最大變形量達到27mm，巷道兩幫最大位移達到30mm;當空頂距離為2.3m時，掘進巷道頂板的最大變形量達到29mm，巷道兩幫最大位移達到33mm;當空頂距離為3.1m時，掘進巷道頂板的最大變形量達到31mm，巷道兩幫最大位移達到34mm;當空頂距離為4m時，掘進巷道頂板的最大變形量達到32mm，巷道兩幫最大位移達到35mm;當空頂距離為4.9m時，掘進巷道頂板的最大變形量達到37mm，巷道兩幫最大位移達到41mm;當空頂距離為5.6m時，掘進巷道頂板的最大變形量達到41mm，巷道兩幫最大位移達到47mm;當空頂距離大于4m時，巷道兩幫及頂板的位移量增加明顯，隨著掘進擾動的影響，巷道塑性破壞區域增大，不利于掘進工作的進行。出于安全施工考慮，空頂距離維持在3.1m左右需要加強臨時支護，同時永久支護可以保證工作人員的安全。

3 臨時支架改進研究

為適應馬蘭礦28307巷道的快速掘進，對原有臨時支護進行改進，改進后的臨時支護應具備以下優點：

①臨時支架應組裝方便，具有一定的強度，隨著巷道掘進的進行，可以迅速平穩的移動，并支撐起一定范圍內的頂板;臨時支架在一定支撐強度基礎上，應該盡可能的減少所占空間，便于其他工序的有序進行;②隨著巷道掘進的進行，臨時支架應在橫向以及縱向都有一定的調控范圍，為適應掘進機械的自動化水平，臨時支架的移動應平穩，結構簡單可靠。

使用臨時支架支護必須適應巷道斷面尺寸且與相應機械設備相匹配，本次臨時支架選用半框架結構，支護寬度范圍為0-5100mm，高度范圍為0-4200mm，支護長度最大達到3500mm，配套的掘進機型號為EBZ160A、膠帶輸送機型號為DSJ100/80/160、傳送機型號為DZQ-65/16/11、錨桿鉆機型號為MYT-140/320。考慮到支護范圍與機器寬度的適應性，臨時支架必須具有一定的可調節范圍，對于寬度范圍的調節，通過在支架中心設置兩個反向油缸控制支架的水平支護范圍，垂直支護范圍則是通過液壓立柱實現。為確保臨時支架的支護強度，對支架工作阻力進行計算，優化后的臨時支架共有4個立柱，每個立柱的工作阻力為260kN，總工作阻力為1040kN。只要保證支護阻力大于冒落矸石的重量便可，定義煤巖容重為26kN/m3，則巷道斷面冒落矸石的最大重量為556.92kN，支架的工作阻力遠大于冒落矸石的重量，證明臨時支護強度滿足掘進巷道條件。臨時支護的目的是為實現巷道快速掘進提供保障，為此，對現場圍巖變形和移架時間進行了觀察統計，根據掘進經驗，優化后臨時支護方案配合永久支護方案下，巷道為冒頂片幫事故的發生，保證了掘進工藝的安全進行，對臨時支護方案下支架前移推進時間進行記錄2019年8月9日主組前移時間3.4s，副組前移時間4.2s，前移推進平均時間6.7s;11月13日主組前移時間3.5s，副組前移時間4.1s，前移推進平均時間7.3s。由此可知，在巷道掘進時期，支架的平均移架時間較短，且初始階段工人操作不熟練，隨著操作熟練度的增加，移架時間還會進一步縮短，證明了此次臨時支護改進的成功性。

4 結論

本文針對馬蘭礦28307掘進巷道臨時支護配合永久支護下巷道冒頂片幫問題嚴重，影響掘進速度，為此，對不同空頂距下巷道圍巖的變形進行了數值模擬，得出空頂距離維持在3.1m左右需要加強臨時支護，改進后的臨時支護方案與掘進工藝、掘進設備相配合，實現了安全高效的掘進。