復雜地質條件下煤巷斷面設計優化

陳鳳安

（中煤大屯公司徐莊煤礦 江蘇 沛縣 221611）

1 工程設計概況

1.1 立題背景

大屯公司徐莊煤礦煤巷錨網支護一直根據錨桿支護的懸吊理論和組合梁理論而進行設計，采用矩形或梯形斷面，該類斷面在巷道斷面較小、埋深淺、地應力較小時比較合理，且施工方便。在該礦-400水平以上巷道使用比較普遍，取得了比較好的效果；但隨著開采深度的增加、且為提高資源回收率而致使斷層保護煤柱的縮小，使工作面上下兩道布置往往位于壓力集中區和破碎帶，此時沿用原設計的矩形斷面與梯形斷面就會導致巷道支護失效、維修量大增，并對安全生產構成威脅，如該礦7195工作面材料道、7230工作面材料道和溜子道等巷道在掘進過程中勻經常出現了煤體破碎、頂板離層、頂幫移近量增大、網包、錨桿失效、錨索退索等現象發生，盡管在施工過程中采取減小錨桿錨索間排距、增打點柱、錨架結合等加強支護措施，但仍難以控制住巷道的變形。如7195工作面材料道2006年11月初開始掘進，開始掘進時巷道成型就很難控制，經常出現掉頂現象，巷道緩慢變形，掘進400m后，從材料道口開始向里連續出現了頂板下沉、兩幫向巷中明顯位移，局部錨桿托盤被擠壓變形甚至翻轉現象，導致迎頭不得不停止掘進，而對后部巷道進行修復以便再掘，采取刷幫擴巷、重新打錨桿、套棚、臥底方法進行修復，耗時約16天，消耗錨桿、工字鋼棚、及金屬網等支護材料近20萬元。該巷道掘進完工后又安排巷修隊伍對整條已掘巷道所有發生變形處采取套架棚、打木點柱、補打錨桿方法進行修復巷道350米，其中套架棚260米，消耗材料40余萬元；采煤隊在回采過程中邊回采邊修復維護巷道，對損壞的金屬棚進行即時更換，臥底403米，最后巷道斷面才勉強滿足生產需要，嚴重制約生產，阻礙產量進一步提高，每米巷道支護成本合計超過4000元，增加了巷道施工成本。

1.2 設計改進方案

根據以上現狀，查閱有關資料與技術分析研究，礦決定在煤巷施工中嘗試使用新的錨桿支護理論：加固拱理論，改變巷道斷面形狀，由矩形改為拱形，以改善圍巖受力狀況。首先在與7195材料道地質條件相似的7198綜放工作面材料道、溜子道實施。

矩形斷面示意圖

7198綜放工作面原巷道設計方案如下，材料道、溜子道及切眼均采用矩形斷面，跟底掘進，錨網支護，“M”鋼帶配錨索補強支護。毛斷面規格：材料道寬4200*高2500mm、溜子道寬4400*高2500mm、切眼寬4200*高2500mm。

通過對7195工作面材料道、7230工作面材料道和溜子道等巷道在使用過程中的總結分析，若還采用原設計方案，不能保證有效控制巷道變形，維護工程量將加大，顯然不適宜。通過調查研究，巷道冒落后自然拱的形狀分析，根據物體的三向受力的特性，抗壓強度＞抗剪強度＞抗拉強度，改變巷道斷面形狀，使頂部煤體的受力狀況由受拉變為受壓，這樣采用三心拱斷面可以充分利用煤體本身的強度，大幅度提高巷道受力性能。

將原矩形改用三心拱斷面，其斷面規格分別為：材料道毛寬4200mm，溜子道毛寬4400mm，毛中高勻為2800mm，幫高勻為1800mm，大拱半徑3458mm，小拱半徑554mm。（如下圖）

修改后三心拱斷面示意圖

1.3 修改設計后斷面支護參數

選用MGL20/2000/550/20型螺紋錨桿，材質 HBR335，頂及幫錨桿間、排距勻為750*800mm，每桿錨桿配一支MSCK23/60樹脂錨固劑；補強支護錨索配“M”鋼帶，錨索選用SKL17.8/1*7/7250/1200/1860/17，錨索間、排距1500*3200mm,每根錨索配2支樹脂錨固劑；“M”鋼帶長3400mm；頂鋪點焊網片，規格φ4.5mm/2250*900mm/60*60mm，兩幫鋪鋼塑網。

2 設計方案實施及效果小結

7198工作面溜子道聯絡巷于2008年12月份初開始施工，2009年元月份施工完工溜子道聯絡巷后進入溜子道,就開始實施拱形斷面施工方案。因該巷道緊靠落差15米F14大斷面布置，斷層走向與巷道走向基本一致，在施工過程中多次揭露小斷層面，巷道壓力顯現大、頂板破碎，給施工帶來一定困難。巷道采用EBZ-135綜掘機掘進，在掘進過程中，頂板經常出現大面積掉煤現象，通過采取縮小循環進度、加密錨索，即錨索排距由原來3200mm改為1600mm,以及在頂板特別破帶區采取先用掘進機切割一半巷道斷面鋪網支護好后再割另一半的施工方法掘進，有效地控制了迎頭巷道頂板，保證掘進正常施工，月平均進尺285m,與矩形斷面施工進度基本一致，即采用拱形斷面與矩形斷面相比單進水平沒有受到影響。到2009年四月初完成了860米整條巷道的施工。

從巷道完工至2009年12月始終沒有對該巷道進行修復，巷道變形較小,完全滿足生產需要，工作面割煤機、液壓支架、皮帶等綜采設備在2009年12月底安裝完成后開始試生產，在2010年度正式回采期間，通過觀察比較分析總結，采用三心拱斷面巷道的受力性能明顯優于矩形斷面巷道，綜合比較有以下優點：

2.1 有利于截割，肩部成形較好；

2.2 頂肩成拱形，受力由頂部向兩幫分解，受力性能較好；

2.3 在應力集中區的肩部提高了抗剪切能力，不易出現頂板切斷；

2.4 減少頂肩部網包的形成；

2.5 相對增加了頂部有效錨桿的錨固深度；

2.6 延長了巷道的使用壽命，減少巷道的二次維護，極大節約巷道維修費用；

2.7 支護安全更得到保障；

2.8 在工作面回采時，由于兩道抗壓能力強，巷道不易變形,從而減小維護量；

2.9 由于拱部較平頂斷面增高，較半圓拱低，既能保障有足夠的巷道中高，又能解決回采時因巷道過高超前支護難的問題。

該礦因受地質條件所限，斷層較多，煤層開采已逐步向深部水平延伸，相當一部分工作面布置在斷層破碎帶、應力集中區，單純依靠增加支護難以解決巷道受壓變形問題，通過對7198綜放工作面巷道設計方案改用三心拱斷面的實施、觀察與分析總結，煤巷采用三心拱斷面能有效改善巷道的受力性能，減小巷道變形量，為下一步解決深步開采設計巷道斷面提供了可靠的實際依據，且具有較大推廣應用價值。