回采巷掘進(jìn)工作面支護(hù)優(yōu)化及應(yīng)用

張 磊

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

巷道在支護(hù)設(shè)計初期往往通過提高安全系數(shù)、加密錨桿索等方式提高圍巖支護(hù)強度，確保巷道后續(xù)使用安全[1-2]。巷道支護(hù)強度高以及支護(hù)密度大雖然可滿足巷道使用需要，但是也存在支護(hù)耗時長、勞動強度大以及制約掘進(jìn)等問題[3-5]。現(xiàn)階段礦井普遍面臨采掘接替緊張局面，巷道支護(hù)耗時長是制約巷道掘進(jìn)效率的一個重要方面。為此，眾多學(xué)者從提高巷道掘進(jìn)及支護(hù)機(jī)械化程度、優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計等方面出發(fā)，對提升巷道支護(hù)效率以及效果等進(jìn)行研究[6-8]。文章就在以往研究成果基礎(chǔ)上，以山西某礦31207 回風(fēng)巷掘進(jìn)為工程背景，提出使用高強度柔性錨桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錨索以及螺紋鋼錨桿對巷道支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，在保障圍巖支護(hù)強度的同時降低支護(hù)耗時，提高巷道綜合掘進(jìn)效率。

1 31207 回風(fēng)巷工程概況

1.1 地質(zhì)概況

31207 回風(fēng)巷為矩形斷面（寬寬5.4 m、巷高3.35 m），采用掘錨機(jī)（MB670）掘進(jìn)成巷，巷道設(shè)計長為2 980 m，沿著12 號煤層底板掘進(jìn)。12 號煤層埋深平均390 m，煤層無突出危險性，厚度均值3.35 m、傾角5°。12 號煤層頂?shù)滓灾猩皫r、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖以及泥巖等為主，具體巖性參數(shù)見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性參數(shù)

MB670 掘錨機(jī)可同步開展掘進(jìn)、圍巖支護(hù)等工作，具有機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快以及勞動強度低等優(yōu)點，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺為470 m/月。由于采面推擠速度快，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺仍無法滿足煤炭高效開采需要。

1.2 巷道原支護(hù)參數(shù)

31207 回風(fēng)巷設(shè)計通過錨網(wǎng)索方式控制圍巖，具體設(shè)計見圖1 所示。巷道支護(hù)用的錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 500 mm，頂板布置6 根、巷幫布置4 根，排距均為1 100 mm；錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×7 200 mm，頂板布置3 根，排距為1 500 mm。巷道原支護(hù)方式下頂板、巷幫最大變形量分別為25 mm、23 mm，圍巖控制效果較好；但是采用此種支護(hù)設(shè)計存在錨桿、錨索數(shù)量多、支護(hù)耗時長等問題。為此，文中提出對巷道圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過減少支護(hù)耗時為掘進(jìn)贏取更多時間，從而達(dá)到提升巷道掘進(jìn)進(jìn)尺目的。

圖1 巷道原支護(hù)設(shè)計（單位：mm）

2 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

文中提出采用柔性錨桿代替普通螺紋鋼錨桿以及鋼絞線錨索對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)已有研究成果表明，柔性錨桿支護(hù)強度以及承載能力較普通螺紋鋼錨桿提升300%以上，同時具有預(yù)緊力高、性能好以及便于安裝等優(yōu)點。采用的柔性錨桿桿體直徑為21.8 mm，最大延伸率可達(dá)到7%、桿體抗拉強度以及破斷載荷分別為1 860 MPa、580 kN 以上，錨固后可施加超過250 kN 預(yù)緊力。通過柔性錨桿施加高預(yù)緊力，可提高巷道圍巖支護(hù)強度以及穩(wěn)定性。

優(yōu)化支護(hù)方案設(shè)計依據(jù)工程類比法確定，具體優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)為：在巷道頂板施工4 根柔性錨桿（Φ21.8 mm×4 000 mm），靠邊側(cè)錨桿與巷幫間距為650 mm，具體錨桿間間距分別為1 057 mm、1 986 mm、1 057 mm，錨桿排距設(shè)計均為1 500 mm，錨桿有效錨固長度設(shè)計為1 200 mm；柔性錨桿布置完畢后，施加預(yù)緊力控制在250 kN 以上。為提高頂板巖支護(hù)強度，沿著巷道中線布置一排螺紋鋼錨桿（Φ22 mm×2 500 mm），螺紋鋼錨桿位于兩排柔性錨桿間，排距均為1 500 mm。具體優(yōu)化后的巷道頂板支護(hù)參數(shù)見圖2 所示。巷幫支護(hù)參數(shù)保持不變。

圖2 優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)（單位：mm）

3 優(yōu)化效果分析

通過ZKXG30 鉆孔窺視儀對優(yōu)化支護(hù)后的頂板巖層裂隙擴(kuò)展以及離層情況進(jìn)行探測，具體孔深0.7～1.0 m 間窺視成果見圖3 所示。

圖3 頂板巖層鉆孔窺視成果圖

從窺視結(jié)果看出，巷道采用柔性錨桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺紋鋼錨桿以及鋼絞線對頂板支護(hù)后，頂板巖層離層情況不明顯；頂板裂隙主要集中在巖層表層位置，裂隙不發(fā)育；當(dāng)鉆孔窺視深度超過0.7 m 以后，頂板內(nèi)巖層完整性較好，僅局部位置有原生裂隙。通過窺視發(fā)現(xiàn)，采用柔性錨桿支護(hù)后，頂板巖層穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)明顯離層以及頂板失穩(wěn)等情況。

巷道圍巖變形是表征支護(hù)效果的主要指標(biāo)，對柔性錨桿支護(hù)完成后頂板、巷幫收斂情況進(jìn)行監(jiān)測，在監(jiān)測期間（90 d）內(nèi)巷道頂板最大下沉量為38 mm，出現(xiàn)在頂板中部位置；巷幫最大收斂量為27 mm，出現(xiàn)在靠近頂板位置處。巷道整體圍巖變形量較小，圍巖變形不會給巷道后續(xù)使用帶來影響。

對優(yōu)化支護(hù)后的圍巖變形監(jiān)測，在滯后掘進(jìn)迎頭100 m 范圍內(nèi)頂板下沉速率較快，在滯后迎頭120 m 范圍內(nèi)巷幫變形速率較快，頂板、巷幫最終變形量穩(wěn)定在12 mm、16 mm，整體變形量較小，不會給巷道正常使用帶來不利影響。具體優(yōu)化支護(hù)后的頂板、巷幫現(xiàn)場圖見圖4。

圖4 巷道現(xiàn)場圖

采用柔性錨桿代替螺紋鋼錨桿以及鋼絞線錨索對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)后，回風(fēng)巷頂部支護(hù)耗時減少約1.2 h；支護(hù)優(yōu)化后巷道掘進(jìn)平均每月可達(dá)到550 m，較支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前增加約80 m。在31207 回風(fēng)巷后采用的柔性錨桿支護(hù)技術(shù)不僅可滿足巷道控制需要而且可在一定程度提上巷道掘進(jìn)效率。

4 結(jié)語

1）31207 回風(fēng)巷原采用錨網(wǎng)索方式支護(hù)圍巖，存在支護(hù)強度大、錨桿數(shù)量多以及支護(hù)耗時長等問題，在一定程度上制約巷道掘進(jìn)效率。為此，提出采用柔性錨桿代替螺紋鋼錨桿以及錨索對頂板進(jìn)行支護(hù)，充分利用柔性錨桿高預(yù)緊力優(yōu)點，通過提高錨桿支護(hù)強度來達(dá)到減少布置數(shù)量目的。

2）依據(jù)現(xiàn)場實際條件對巷道支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計，并進(jìn)行工程應(yīng)用。結(jié)果表明，優(yōu)化后的巷道支護(hù)耗時較優(yōu)化前縮短1.2 h，同時巷道頂板、巷幫變形量仍較小，不會影響巷道正常使用；巷道掘進(jìn)進(jìn)尺提升至550 m/月，可在一定程度上緩解礦井采掘接替緊張問題。