工作面運輸巷支護方式改進研究

王克明

（晉能集團太原有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

山西三元煤業(yè)股份有限公司是由晉能集團（原山西省煤炭運銷集團）控股的國有企業(yè)，公司位于山西省長治市， 礦井始建于1989年，1997年9月投產(chǎn)，設計能力0.6 Mt/a。經(jīng)過技術改造，2010年山西省煤炭工業(yè)局晉煤行發(fā)[2010]273號文，礦井核定生產(chǎn)能力2.2 Mt/a。

礦井采用立井開拓方式，運輸水平標高+620 m，開采3號煤層。3號煤層厚3.53～6.81 m，平均4.20 m，煤層傾角為4°～15°，煤層層位穩(wěn)定，結構復雜，但屬較穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。3號煤層頂板局部存在泥巖以及砂質(zhì)泥巖，其厚度在0～12.1 m之間，局部部位還存在炭質(zhì)泥巖偽頂。另外，煤層與底板砂巖間還存在泥巖或者是砂質(zhì)泥巖偽底，斷層發(fā)育，水文地質(zhì)環(huán)境相對較為復雜，存在裂隙有滴水以及淋水問題。

4301工作面運輸巷長度為980m，埋深為350 m，為矩形斷面，寬度為3500mm，高度為2800 mm。

2 巷道原支護方案分析

2.1 原支護形式

采用錨桿、錨索以及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，圓鋼錨桿長度值2.0 m，外帶鋼帶以及鐵托板，鋼帶的長度值為3.3m，寬度值為0.18m，厚度值為3 mm，鐵托板的規(guī)格大小為80mm×80mm×10 mm。 設計的錨桿支護間距值與排距值分別是900mm與1000 mm。錨索的長度值為6.0m，間距值為1.8 m，排距值為1.0 m，第一排設置兩根錨索，第二排設置一根錨索，如此循環(huán)。在頂板結構上鋪設有金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)的規(guī)格大小為3500mm×1200 mm。

4301工作面運輸巷的兩幫位置打兩排錨桿，錨桿的長度值是1.7 m，帶有混凝土托板，托板的規(guī)格大小為600mm×200mm×90 mm。在兩幫位置處均鋪掛上兩道金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)的規(guī)格大小為3500 mm×1200 mm，同時確保兩幫位置處的金屬網(wǎng)和頂板鋪設的金屬網(wǎng)搭接牢靠。運輸巷原支護斷面見圖1。

圖1 4301工作面運輸巷原支護斷面

2.2 巷道原支護存在的問題

根據(jù)以往支護具體情況進行分析，就具體效果而言，原支護工藝存在下列問題：

（1）巷道兩幫位置處的支護強度相對較弱，在開挖之后幾天時間兩幫位置的移近量變超過了100 mm，而且出現(xiàn)了較為嚴重的片幫問題，無法對兩幫破裂問題加以有效防治。

（2）在巷道運行階段，多處頂板出現(xiàn)了較為嚴重的下沉問題，而且在局部區(qū)域內(nèi)還發(fā)生了冒頂現(xiàn)象，這在很大程度上對井下作業(yè)人員人身安全產(chǎn)生威脅。

（3）在局部位置處采用小棚距“U”型鋼棚加強支護，因為鋼棚支護為被動支護方式，在來壓過程中極易出現(xiàn)變形，導致巷道運行的安全隱患較大。

（4）在巷道的局部位置處出現(xiàn)底鼓問題，而且斷面出現(xiàn)了較為嚴重的收縮，影響巷道正常使用。

巷道現(xiàn)場破壞情況見圖2。

3 巷道支護方式改進

此次變更主要是針對錨索設置數(shù)量以及錨桿類型進一步進行優(yōu)化，在第一排設置兩根錨索，第二排設置三根錨索如此循環(huán)。而且，還采用中空的注漿錨桿將發(fā)生破碎的煤體和巷道結構中較為穩(wěn)定的巖體相互連接起來，這樣便能夠有效的提升破碎煤體粘結強度值。

圖2 運輸巷現(xiàn)場破壞情況

4301工作面運輸巷沿煤層底板掘進，在巷道頂板位置處以及兩幫位置處均是煤體。由于巷道中煤體結構較為松散，而且易出現(xiàn)破碎問題，在巷道運行過程中維護工作較為困難。以往主要是利用錨桿支護的方式開展支護作業(yè)，而此種支護工藝下巷道極易發(fā)生變形，有時還會出現(xiàn)嚴重的破壞問題，導致巷道維護工作極為困難。之前所采用的圓鋼錨桿加掛金屬網(wǎng)支護方式，無法達到安全生產(chǎn)的需求。就三元煤礦煤層松散的具體特征，此次支護變更設計中通過錨網(wǎng)索加錨注加特殊段二次支護的工藝對巷道進行支護處理。

對于頂板結構通過錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的方式。通過利用高預應力錨桿加錨索加鋼帶加網(wǎng)片進行聯(lián)合支護，則能夠確保達到多層拱結構支護的效果，而利用錨索結構則能夠把錨桿支護所組合而成的拱結構懸吊在深部圍巖結構之中，這樣便可以有效的利用深部圍巖強度，便能夠達到較為理想的支護效果。另外，此種柔性支護工藝允許巷道圍巖結構釋放出一定量的膨脹變形能，同時還可以確保巷道的變形可以有效得以控制，使圍巖結構自承載能力可以得到有效發(fā)揮，保證巷道運行過程中更加穩(wěn)定。

在兩幫位置處應用中空的注漿錨桿。該錨桿的具體加固原理為：確保錨桿支護效果能夠和注漿加固效果更好融合到一起，同時對巷道支護發(fā)揮作用。注漿材料選擇水泥—水玻璃混合材料，這樣可以有效的提升錨桿結構錨固強度值。另外，借助于注漿工藝能夠?qū)l(fā)生破碎的煤體和巷道結構中較為穩(wěn)定的巖體相互連接起來，這樣便能夠有效的提升破碎煤體粘結強度值。注漿錨桿支護工藝擁有強初撐、高承載以及急增阻的特性，應用在較軟地層之中可以有效解決錨固力快速衰減以及喪失的問題。

支護工藝優(yōu)化設計后相關參數(shù)見表1，支護結構見圖3，現(xiàn)場實際施工效果見圖4。

表1 變更設計后巷道支護參數(shù)

圖3 支護結構

圖4 現(xiàn)場實際施工效果

4 二次支護

對于一些特殊的區(qū)域，采用全斷面封閉型金屬二次支架。由于支架為整體封閉型，這和以往所采用的梯形支架以及拱形支架對比而言，全封閉型支架能夠承載更大的壓力，可以有效的對底板拱起問題加以控制，同時也能夠控制兩幫的變形。尤其是針對一些圍巖較為松軟、巷道礦壓較大以及片幫問題較為嚴重的巷道而言，采用整體封閉型支架能夠取得更為明顯的效果。

在二次支護過程中，所采用的金屬支架為11#礦用工字鋼，支架結構為矩形結構，支架布置的間距設定為1000 mm，將支架設置于每排錨桿支護中間位置。在二次支護施工的過程中，應當強化對巷道的變形監(jiān)測工作，而且在掘進作業(yè)時也應當進行超前探測，從而保障煤礦開采的安全性。

5 巷道監(jiān)測分析

共設置有3個監(jiān)測站對巷道進行位移監(jiān)測，其中，1號監(jiān)測站和巷道開口位置的距離值為250 m，2號監(jiān)測站距巷道開口位置的距離為280 m，3號監(jiān)測站距巷道開口位置的距離為330 m。3個監(jiān)測站的監(jiān)測頻率相同，在前10天之中每天監(jiān)測一次，在后15天之中3天監(jiān)測一次，最后7天監(jiān)測一次，在巷道的變形速率趨向零時便停止監(jiān)測。3個監(jiān)測站監(jiān)測得到底板下沉數(shù)據(jù)以及兩幫收斂數(shù)據(jù)見圖5、圖6。

圖5 底板下沉趨勢

通過1號監(jiān)測站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，在巷道進行開挖支護作業(yè)之后的9 d時間之內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結構在巷道開挖支護之后的17 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結構的累計下沉量也控制在30 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結構在開挖之后的20 d時間便逐漸趨向于零，而且兩幫結構的累計收斂僅僅為44 mm。

通過對2號監(jiān)測站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，巷道進行開挖支護作業(yè)之后的10 d時間內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結構在巷道開挖支護之后的20 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結構的累計下沉量控制在28 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結構在開挖之后的21d時間便逐漸趨向于量，而且兩幫結構的累計收斂僅僅為41 mm。

圖6 兩幫收斂趨勢

通過對3號監(jiān)測站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，巷道進行開挖支護作業(yè)之后的10 d時間內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結構在巷道開挖支護之后的20 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結構的累計下沉量控制在34 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結構在開挖之后的19 d時間便逐漸趨向于量，而且兩幫結構的累計收斂僅僅為42 mm。

1號、2號、3號監(jiān)測站所得曲線的走勢大致相同，從中能夠得出，在巷道開挖支護后的10 d時間之內(nèi)，巷道變形相對明顯，而隨后逐漸的趨近于零，也就是說在10 d之內(nèi)為圍巖釋放其變形能力的重要階段。而從以上數(shù)據(jù)又可以得出，在經(jīng)過21 d之后，巷道的變形達到了穩(wěn)定狀態(tài)，這也反映出了支護開始發(fā)揮顯著作用，證明所采用的支護工藝是適宜的與安全的。