軟弱頂板回采巷道快速掘進支護技術研究

袁小強

（山西潞安溫莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046308）

煤礦產業是我國經濟發展重要支柱之一。近年來，隨著煤礦開采不斷增加，加強煤礦開采作業安全，提高井下巷道掘進作業，是保證煤礦生產有序開展重要因素。隨著巷道開采掘進深度持續增加，巷道挖掘支護難度也在不斷加大，針對快速掘進支護這一難題，如何開展巷道有效支護，成為礦井生產安全、高效開展的關鍵問題。

1 軟弱頂板回采巷道存在的問題

1）巷道挖掘時埋深較大。原始圍巖應力高，極易產生變形[1]。巷道開采時挖掘機的抽放埋深超過600 m，這種深度較高，開采增加了巷道圍巖初始應力值，使圍巖應力集中系數加大，造成挖掘后巷道變形速度加快[2]。

2）采取主動支護防止變形，主動支護對支護錨桿、錨索初始預緊力增加，使錨桿、錨索布設時施加合理預緊力，防止錨桿出現初始滑移產生變形，并且提高了圍巖初始承載力，避免因巷道挖掘初期埋深大、圍巖易破碎而造成變形，起到了有效主動支護整體結構方式。

3）循環進尺偏大造成空頂距大，增加支護難度。巷道采用快速掘進技術，在循環進尺尺寸上需要偏大一些，以減小輔助工序作業耗時提升開機率。開機作業時單次循環進尺長度為4 m，使巷道控頂距過大造成圍巖應力減弱，巖體損壞程度嚴重，增加了支護難度[3]。

2 軟弱頂板回采巷道快速掘進支護方案

2.1 支護原則

1）主動支護

對巷道采取整體支護作業方式，由于巷道挖掘初期坑度深，巷道控頂距離長，單一支護手段承載力較小，作業時極易產生變形。因此，為了防止挖掘初期支護容易變形，應當采取有效綜合支護技術，充分利用錨索、錨網噴相結合支護結構，提高錨桿、錨索預緊力加大承載量，使圍巖整體自承性能增加[4]。整體結構主動支護方式，加強了巷道挖掘作業時支護作用，安全性能和作業效率都得到了保障。

2）快速支護

為確保巷道施工合理有效，保障掘進作業安全性，對掘進作業中掘、支、運等生產作業環節，采取合理優化配置，實現對巷道頂板及時、快速支護，縮短頂板空頂時長，減少巷道初期損傷程度[5]。

3）確保錨桿、錨索作業質量

錨桿、錨索施工作業時，因現場地質狀況原因或者施工技術水平等因素，對施工質量造成影響，容易發生錨桿、錨索預緊力達不到標準，嚴重會有失效現象，因此必須提高施工管理和施工技術，采取合理有效措施，確保錨桿、錨索作業質量[6]。

2.2 支護方案優化

挖掘時巷道支護穩定性與運輸順槽有著密切關系，增加支護優化作用需根據以下幾點：增加圍巖物理力學性質，采用科學合理方法提高圍巖自身承載能力；針對巷道積水問題采取排水措施，防止水對圍巖造成泥化腐蝕，提高圍巖強度和耐腐蝕性；對圍巖與U 型鋼之間的縫隙進行填充，確保U 型鋼和巷道圍巖牢固性[7]。

2.2.1 臨時支護分析

臨時支護是由四根單體支柱承接鋼網組成的，在斷面割巖作業后，使用鉤釬去除危巖和切割時產生的活巖，然后將打錨桿掛網與四根單體支柱連接。臨時支護需要在挖掘作業后進行搭建，臨時支護作業要隨著掘進機割巖作業的范圍開展支護。對破碎程度嚴重且面積較大圍巖，要及時選用管縫錨桿進行支護，嚴禁空頂施工以防造成作業事故[8]。

2.2.2 掘進面超前支護設計

對巷道掘進面進行管棚超前支護，沿巷道輪廓線均勻鉆孔，把鋼管分別插入打好鉆孔之中，管棚兩端中的一端固定在支護體上，另一端固定在未開挖巖體上。管棚之間相互搭接形成整體支護結構，起到區域承載重量能力，同時防止附近頂板發生坍塌造成作業人員危險，挖掘時散落的巖石也會落在管棚上方，起到了安全支護的作用。管棚支護主要參數如下：

1）軟弱頂板回采巷道管棚長度計算。

公式（1）中：X表示軟弱頂板回采巷道管棚長度；Z表示平均垮落的高度；表示巖層的內摩擦角。

2）軟弱頂板回采巷道鋼管規格確定。

巷道鋼管的規格采用直徑為50 mm、厚度5 mm的規格標準，采用分節制作安裝方便現場施工。每根鋼管長度3 m，把鋼管的一端削尖以利于插入圍巖內。每根鋼管之間通過絲扣進行連接，絲扣長度為100 mm。

2.2.3 工作面注漿加固

巷道開采挖掘時圍巖內部會發生裂隙，利用注漿加固技術就可以填滿巖石裂隙，并且能隔斷涌水通道，避免圍巖遭受水侵蝕影響圍巖強度。注漿加固技術采用注漿與噴漿共同作用，增加了圍巖承載強度。通過現場情況和實驗室試驗研究結果表明，采用水玻璃漿液注漿，水灰比為1∶1，水泥與水玻璃體積比為1.00∶0.04。

3 掘進技術優化

3.1 現有掘進技術分析

現有掘進技術采取的是運輸順槽掘進時的皮帶運輸，在U 型鋼支護完成后再進行噴漿，每天平均掘進面1.8 m，掘進速度比較緩慢。由于巷道地質條件較差，施工過程中經常出現冒頂、掘進機陷入底板等故障，不但影響掘進速度，同時也給巷道開采工作帶來嚴重危險，造成生命財產損失。

3.2 掘進技術優化

采礦進度快慢主要是看掘進機工作效率，為了提升掘進速度，需要根據巷道運輸順槽的實際情況采取優化措施，加快掘進速度促進采礦工作安全運行。

1）對圍巖強度狀況采取不同優化截割方式，提高倔進速度。根據巖石強度采取先掏槽后截割的方式，當斷面巖石強度較低時，在斷面左下角位置使用截割頭進行掏槽，然后對斷面按“S”形向上截割；當斷面巖石強度較大時，針對斷面裂隙的實際情況采取合理的截割深度，加快全斷面的截割速度。

2）當掘進機運行時，如果底板較軟，就會造成行走困難，減慢掘進速度。當底板較軟行走緩慢時，在掘進機履帶下墊塊木板增加底板硬度，提高了掘進機行走能力；掘進位置底板一旦積水較多，就要先截割巖石上部，使散落巖石起到鋪墊作用，并建立蓄水池，利用泥漿泵進行排水作業，加快掘進速度。

根據礦井巷道運輸順槽的實際情況，進行合理的優化掘進技術，使掘進面日進尺高度提升至原來的2 倍，通過對掘進支護后的巷道進行穩定性觀察，優化支護后的巷道穩定性明顯提高。

4 支護效果分析

針對軟弱頂板回采巷道快速掘進支護技術可靠性進行效果分析，該過程需要采集的參數如表1 所示。

表1 巷道頂板離層數據

根據表1 所示的巷道頂板離層數據，設定相關參數，保證總耗時為3～7 d，最大底板移近量為60 mm，位移速度為26.5 mm/d。選用軟弱頂板回采巷道快速掘進支護技術，能夠提高巷道挖掘速率，為了驗證這一點，需將傳統技術與該技術進行對比分析，結果如圖1 所示。

圖1 兩種技術巷道挖掘速率對比分析

由圖1 可知，采用兩種技術都隨著時間的增加，巷道挖掘速率變快。當周期為3 d 時，傳統技術的巷道挖掘速率為10 mm/s，而快速掘進支護技術巷道挖掘速率為61 mm/s；當周期為4 d 時，傳統技術的巷道挖掘速率為21 mm/s，而快速掘進支護技術巷道挖掘速率為70 mm/s；當周期為7 d 時，傳統技術的巷道挖掘速率為65 mm/s，而快速掘進支護技術巷道挖掘速率為92 mm/s。通過對比結果可知，該技術巷道挖掘速率較快。

為了進一步驗證軟弱頂板回采巷道快速掘進支護技術的支護效果，再次將兩種技術進行對比分析，結果如表2 所示。

表2 兩種技術支護效果 %

由表2 可知，采用快速掘進支護技術在實驗次數為1 次時，支護效果達到最高為99%；在實驗次數為4 次時，支護效果達到最低為96%；而采用傳統技術在實驗次數為1 次時，支護效果達到最高為62%；在實驗次數為5 次時，支護效果達到最低為54%。且快速掘進支護技術的支護效果始終維持在95%以上，由此證實軟弱頂板回采巷道快速掘進支護技術可靠性。

根據上述對比結果，可得到如下支護效果：

1）支護后的巷道塑性區總面積大概為巷道斷面面積的1/2，擴展深度大約小于3 m。當加固錨桿長度大于擴展深度，頂板斷層塑性區域在可控范圍內，注漿錨桿在頂角處對發生剪切破壞的塑性區控制效果較為明顯，底腳注漿錨桿減小了底腳處的塑性區，防止巷道兩幫的塑性區向深部擴展，底板沒有產生塑性區。

2）監測支護后巷道關鍵部位位移的變化量，根據對巷道頂板、兩幫、底板監測點的變化，發現變形緩慢階段和變形加速階段的曲線變化非常相似。當礦井巷道剛開始挖掘作業時，未開挖至監測斷面時，圍巖受擾動較小斷面監測變形速度緩慢，當開挖至監測段面時，圍巖大面積受到波動變形速度變快，采用支護結構對位移部位進行限制，變形進入穩定階段使監測點位移變化量達到穩定值標準。

3）根據現場頂板離層數據進行監測，在巷道頂安裝頂板離層監測儀，頂板每50 mm 就設置1 組，各頂板監測范圍內離層最大值為2 mm，范圍外離層最大值為3 mm，即監測允許范圍值是最大離層值的5 mm。通過觀察各監測點離層值確定頂板離層的大小，對頂板鋼拱架聯合預應力錨桿支護的效果進行判斷，如果離層小表明整個支護體系承載力較強，對巷道圍巖變形起到了支護控制作用。

5 結語

煤礦開采具有很大的的安全隱患，如何科學合理開采，保障礦井開采快速和安全是煤礦開采工作的關鍵問題。軟弱頂板回采巷道快速掘進采用先進的支護技術方法，進行科學合理的采礦作業，同時提高礦井管理和開采工作人員的專業技術水平。并根據開采礦井的實際情況，制定適合開采作業的高效快速掘進支護方案，使井下采掘工作交替有序，軟弱頂板回采巷道快速掘進支護技術應用，提高了礦井采掘工作效率，同時也增加了開采工作安全性，為煤礦業生產安全提供了堅實基礎。