復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進巷道支護參數(shù)優(yōu)化研究及應(yīng)用

吳 建 紅

（山煤集團煤業(yè)管理有限公司晉北分公司，山西 大同 037100）

0 引 言

巷道在掘進過程中不可避免地需穿越斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域[1-2]。復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)巷道圍巖控制一直是礦業(yè)界和巖石力學(xué)界研究的焦點[3-5]。復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)巷道在破碎圍巖和強烈構(gòu)造應(yīng)力的雙重作用下，巷道極易發(fā)生大變形并導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，可能引發(fā)冒頂、片幫等事故，嚴重制約著巷道掘進速度，并給巷道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定和安全帶來了巨大威脅[6-8]。對此，曹健采取“加密錨桿+架棚”的支護措施有效控制過斷層巷道的破碎頂板及兩幫變形[9]。武志龍采用“注漿預(yù)加固+錨網(wǎng)索+W 鋼帶+礦工鋼+水泥背板”的過斷層破碎帶支護方案，有效控制了巷道變形，為快速掘進提供了保障[10]。本文基于上述研究，以韓家洼煤礦22205 運輸順槽過復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域為研究對象，通過對原支護參數(shù)進行優(yōu)化，有效控制了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)巷道圍巖變形，為巷道快速掘進提供了指導(dǎo)。

1 工程概況

韓家洼煤礦22205 綜采工作面位于22 號二采區(qū)層中北部，南部為二采區(qū)3 條主要巷道（二采區(qū)軌道巷、二采區(qū)運輸巷、二采區(qū)回風(fēng)巷）；西部為原韓家洼采空區(qū)；東部22203 工作面采空區(qū)，有30 m 的煤柱；北部為礦界。工作面煤層平均煤厚度為11.5 m，頂板自下而上依次為2.3 m 粉砂巖，5.7 m 砂質(zhì)泥巖和8.8m 中粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。

圖1 22205 運輸順槽過破碎帶冒頂后支護方案

22205 運輸順槽為矩形斷面，斷面尺寸為寬×高=4 500 mm×3 000 mm。巷道頂板采用錨網(wǎng)索鋼帶聯(lián)合支護形式，鋼帶間距1 000 mm，錨桿間距800 mm，頂板2 排錨索，錨索間距2 400 mm，排距2 000 mm。工作面巷幫為尼龍網(wǎng)+玻璃鋼錨桿聯(lián)合支護，煤柱幫為金屬網(wǎng)+ 金屬錨桿聯(lián)合支護，錨桿間排距800 mm×1 000 mm。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，22205 運輸順槽頂板破碎嚴重，頂板煤層節(jié)理發(fā)育并伴有小斷層，在掘進期間已多次出現(xiàn)破碎頂板伴隨夾矸大面積垮落，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)不同程度超高（如圖1 所示），嚴重影響了巷道快速掘進和礦井正常安全生產(chǎn)。

2 巷道支護設(shè)計基本原則

對巷道進行支護時，在充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力的同時，形成對巷道圍巖的主動支護更有利于維護巷道穩(wěn)定；因此，在對巷道進行主動支護時應(yīng)遵循以下原則：

首先，采用錨桿支護時應(yīng)盡可能在一次支護時就對圍巖形成有效控制，從而避免二次支護，即應(yīng)遵循一次支護原則；其次，錨桿支護時施加高預(yù)應(yīng)力是形成主動支護的必要條件，且只有在施加較高預(yù)應(yīng)力時，才能使錨桿支護作用得以充分發(fā)揮，即應(yīng)遵循高預(yù)應(yīng)力原則；再次，在采用錨桿對巷道支護時，應(yīng)盡可能提高所用錨桿的強度、剛度和可靠性，同時降低所用錨桿密度，即應(yīng)遵循“三高一低”原則；此外，所采用的錨桿強度和剛度應(yīng)大于臨界值，同時確保所用錨桿與其配件（托板和螺母等）相互匹配，即應(yīng)遵循臨界支護強度和相互匹配原則；最后，應(yīng)確保所采用的錨桿在井下方便操作和管理，即應(yīng)遵循可操作性原則等。

3 掘進巷道支護設(shè)計方案及參數(shù)

為了防止22205 運輸順槽掘進過程中冒頂事故的繼續(xù)發(fā)生，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘查資料，提出對22205運輸順槽里程235~240 m 的頂板破碎段采用“超前鋼管臨時支護+預(yù)應(yīng)力長短錨索”的聯(lián)合支護技術(shù)。

3.1 主要支護技術(shù)參數(shù)

超前鋼管臨時支護使用40 mm 鋼管制作，鋼管長2 000 mm，鋼管仰角30°，間距為200 mm。過破碎帶掘進循環(huán)進尺0.8 m，最大控頂距1.0 m，最小控頂距0.2 m。掘進機割煤采用往復(fù)式截割，截割時將截割頭調(diào)至巷道中，由巷道右下角開口進刀，先割出槽窩，然后由下向上進行截割，進刀深度以0.4 m 為宜。

當22205 運輸順槽采用超前臨時支護掘出后，立即采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式作為永久支護。其中，巷道頂板采用“長短錨索協(xié)同支護”技術(shù)方案，短錨索的規(guī)格為φ17.8 mm×6 300 mm，每排4 根短錨索；長錨索的規(guī)格為φ17.8 mm×11 800 mm，每排2 根長錨索；錨索使用3 根MSK2360 樹脂錨固劑進行錨固，每根錨索的預(yù)應(yīng)力均不小于130 kN，錨固力不小于200 kN。巷道兩幫采用φ18 mm×2 200 mm 高強螺紋鋼錨桿，間排距900 m×800 m；錨桿托盤規(guī)格為150mm×150 mm×10 mm；每根錨桿使用MSCK2335與MSK2360 錨固劑各1 條，錨桿扭矩不小于120 N·m，抗拔力為60 kN；鋼帶采用220 mm×4 mm×4 300 mm 的W 鋼帶，支護方案及參數(shù)見圖3、圖4。

圖2 22205 運輸順槽超前鋼管支護方案圖

圖3 22205 運輸順槽預(yù)應(yīng)力長短錨索協(xié)同支護方案圖

3.2 破碎帶及高冒區(qū)加強支護方案

依現(xiàn)場實際情況，在巷道高冒區(qū)、兩幫漏空、破碎嚴重等處，需在上述方案基礎(chǔ)上進一步采取加強支護措施。對于巷道頂部冒落處，首先使用錨網(wǎng)對冒落后頂部進行支護，錨桿間排距600 mm×600 mm 布置，規(guī)格為φ18 mm×2 200 mm 螺紋鋼錨桿。然后垂直于巷道架設(shè)5 根錨索梁，錨索梁由1 根11 號礦用工字鋼及3 根錨索組成（如巷道頂部冒落嚴重中部不具備打設(shè)錨索條件時，使用2 根錨索在鋼梁兩端進行固定，錨索打設(shè)時分別向巷道兩幫傾斜45°）。工字鋼長度為4 500 mm，錨索間距為2 000 mm，排距為1500 mm。錨索規(guī)格φ17.8 mm×11 800 mm 鋼絞線，托板規(guī)格300 mm×300 mm×12 mm。錨索梁上部使用長度不小于1 200 mm 的方木，采用井型木垛的方式與頂板充分接實，木垛上部用風(fēng)筒布蓋住冒落區(qū)，防止碎渣掉落。

在巷道超高段，兩幫增加1 排幫錨桿，確保幫部最下1 根錨桿距底板不得超過900 mm，東幫使用φ14mm×（2 000~3 000 mm）鋼筋鋼帶進行加強支護，鋼筋鋼帶緊貼巷道煤壁。在巷道兩幫漏空、破碎嚴重處，兩幫各需補打1 根錨索進行加強支護，距頂板1m 處施工錨索，錨索采用φ17.8 mm×6 300 mm，托盤采用300 mm×300 mm×12 mm，每根錨索使用3根MSK2360 樹脂錨固劑。錨索預(yù)緊力不得小于130kN，錨索錨固力不小于200 kN。

4 工業(yè)性試驗

為了監(jiān)測22205 運輸順槽過構(gòu)造破碎帶巷道支護效果，采用“十”字布點法，沿巷道軸向間隔0.6~1.0m，布設(shè)了2 個頂板表面位移觀測斷面以及2個頂板深部位移觀測斷面。監(jiān)測結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 22205 運輸順槽頂板深部位移監(jiān)測曲線

圖5 22205 運輸順槽頂板表面位移監(jiān)測曲線

從圖4 中可以看到，在觀測期內(nèi)巷道頂板深部6m 范圍內(nèi)位移小于30 mm，且頂板深部位移已出現(xiàn)收斂。從圖5 中可以看到，在觀測期內(nèi)1#觀測點處頂板下沉量為 86 mm，2#觀測點處頂板移近量為87.5mm，巷道施工完成40 d 后巷道變形量開始收斂。這表明，采用超前鋼管臨時支護和錨網(wǎng)索永久支護方案后，破碎區(qū)巷道圍巖承載能力得到加強，巷道頂板變形量和變形速度得到了有效控制，巷道無漏頂、冒頂事故的發(fā)生，有力地保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

1）基于韓家洼煤礦22205 運輸順槽實際工程地質(zhì)條件和巷道支護設(shè)計基本原則，提出了復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進巷道圍巖控制的“超前鋼管支護+預(yù)應(yīng)力長短錨索協(xié)同支護”技術(shù)方案與參數(shù)。

2）現(xiàn)場實測結(jié)果表明：采用超前鋼管支護+預(yù)應(yīng)力長短錨索協(xié)同支護體系后，復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進巷道圍巖變形明顯減小，變形速度也得到了有效控制，更好的維護了巷道的穩(wěn)定，為礦井安全高效生產(chǎn)提供了有力的保障。