安居煤礦采空區(qū)下巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)研究

張書(shū)磊

（山東濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司霄云煤礦，山東 濟(jì)寧 272200）

我國(guó)大多數(shù)煤礦在采用綜掘時(shí)，主要有3 種機(jī)械化掘進(jìn)工藝：懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配套作業(yè)線、連續(xù)采煤機(jī)與錨桿鉆車(chē)配套作業(yè)線、掘進(jìn)機(jī)組掘錨一體化掘進(jìn)。安居煤礦采用EBZ260 懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道，作業(yè)線為懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配套作業(yè)。但該作業(yè)線掘進(jìn)和支護(hù)不能平行作業(yè)，掘進(jìn)速度慢，嚴(yán)重影響了采掘接替。據(jù)分析，支護(hù)和掘進(jìn)是能否實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有的支護(hù)方案能夠提供有效的控制作用，但有時(shí)會(huì)有很大的富余承載空間。為了降低支護(hù)成本，加快工程進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)礦井的高效生產(chǎn)，現(xiàn)對(duì)其采空區(qū)下2308 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)支護(hù)做出適當(dāng)優(yōu)化[1-3]。

1 工程概況

2308 工作面運(yùn)輸巷與周邊硐室空間關(guān)系如圖1，在三條集中大巷底部巖石中掘進(jìn)，與三條集中大巷間距5～15 m，其中與東部集中軌道大巷間距最小，與東部集中回風(fēng)大巷間距最大。經(jīng)過(guò)三條集中大巷后，巷道向上掘進(jìn)直至揭露3 煤，后沿3 煤水平掘進(jìn)，探測(cè)到2310 工作面采空區(qū)后，提前向下掘進(jìn)至2310 工作面底板，保持間距在6 m 左右。

圖1 2308 工作面運(yùn)輸巷與周邊硐室空間關(guān)系圖

2 采空區(qū)下掘巷錨桿支護(hù)參數(shù)數(shù)值分析

按照實(shí)際地質(zhì)條件，選取2310 工作面采空區(qū)下2308 工作面運(yùn)輸巷80 m 為研究對(duì)象，寬為4.7 m，高度為3.3 m，數(shù)值計(jì)算模型如圖2。該計(jì)算模型尺寸設(shè)計(jì)為180 m×80 m×80 m。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

（1）數(shù)值模擬方案

根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件確定2308 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)，具體比較方案見(jiàn)表1。

表1 錨桿參數(shù)比較方案表 （單位：m）

同時(shí)，數(shù)值模擬的初始參數(shù)設(shè)置為：頂錨桿間距為1050 mm，幫錨桿間距為900 mm，排距均為1000 mm，幫錨桿參數(shù)為Φ22 mm、L2400 mm，錨索參數(shù)為Φ21.6 mm、L4500 mm，錨索間排距分別為1150 mm 和1000 mm。

（2）錨桿直徑

支護(hù)強(qiáng)度的大小隨著錨桿直徑的增大而增大，但同時(shí)錨桿直徑與鉆孔孔徑的合理匹配也是需要考慮的重要因素。我國(guó)大多數(shù)煤礦基本采用直徑為18～24 mm 的錨孔。在綜合施工器具、施工成本等多種因素后，決定頂板和兩幫采用直徑為22 mm 的錨桿，以此滿(mǎn)足安全性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性的要求。

（3）頂錨桿長(zhǎng)度

研究表明：頂板錨桿的長(zhǎng)度與圍巖表面位移大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，如圖3。綜合施工安全性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性等要求，最終確定頂板錨桿長(zhǎng)度為2.4 m。

圖3 頂錨桿長(zhǎng)度與巷道變形關(guān)系

（4）幫錨桿長(zhǎng)度

研究表明：幫錨桿的長(zhǎng)度與底鼓量呈正相關(guān)關(guān)系，如圖4，而與頂板下沉量和兩幫移近量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜合施工安全性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性等要求，最終確定幫錨桿長(zhǎng)度為2.4 m。

圖4 幫錨桿長(zhǎng)度與巷道變形關(guān)系

（5）錨桿排距

研究表明：錨桿排距的增加對(duì)應(yīng)著圍巖變形整體的增加，如圖5。綜合施工安全性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性等要求，最終確定錨桿排距為1000 mm。

圖5 錨桿排距與巷道變形關(guān)系

（6）頂錨桿間距

研究表明：頂錨桿的間距與圍巖變形程度呈正相關(guān)關(guān)系，如圖6。綜合施工安全性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性等要求，最終確定頂錨桿間距為1050 mm。

圖6 頂錨桿間距與巷道變形關(guān)系

（7）幫錨桿間距

研究表明：幫錨桿間距與圍巖頂板下沉量和兩幫移近量呈正相關(guān)關(guān)系，如圖7，但對(duì)底板幾乎無(wú)影響。綜合施工安全性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性等要求，最終確定幫錨桿間距為900 mm。

圖7 幫錨桿間距與巷道變形關(guān)系

3 采空區(qū)下掘巷最終支護(hù)方案及效果評(píng)價(jià)

3.1 最終支護(hù)方案

通過(guò)理論計(jì)算分析，確定2308 工作面運(yùn)輸巷最終支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板錨桿支護(hù)參數(shù)

采用Φ22 mm×2400 mm 左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距1050 mm×1000 mm，使用1 支MSCK2535 和1 支MSK2550 樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，錨桿安裝扭矩大于250 N·m。肩窩頂錨桿與巷幫的水平距離為250 mm。每根錨桿配套使用1 塊Q235鋼托盤(pán)150 mm×150 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×厚）和單泡讓壓管1 個(gè)（讓壓載荷180 kN）。錨桿成排布置，全斷面使用W 鋼護(hù)板增加護(hù)表面積，W 鋼護(hù)板尺寸為450 mm×280 mm（長(zhǎng)×寬）。兩頂角錨桿向外傾斜15°，其余垂直頂板布置，頂板鋪軋花平網(wǎng)。

（2）幫部錨桿支護(hù)參數(shù)

采用Φ22 mm×2400 mm 左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1000 mm，使用1 支MSCK2535 和1 支MSK2550 樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，錨桿安裝扭矩大于250 N·m。最上部一根距頂板250 mm，與水平有15°的傾角，最下面一根距底板350 mm，與水平有15°的傾角，其余垂直幫部布置。每根錨桿配套使用1 塊Q235 鋼托盤(pán)150 mm×150 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×厚）和單泡讓壓管1 個(gè)（讓壓載荷180 kN）。錨桿成排布置，全斷面使用W 鋼護(hù)板增加護(hù)表面積，W 鋼護(hù)板尺寸為450 mm×280 mm（長(zhǎng)×寬）。巷幫鋪菱形金屬網(wǎng)。

（3）錨索規(guī)格參數(shù)

錨索采用Φ21.6 mm×4500 mm 鋼絞線，布置在兩排錨桿之間，三花布置形式，間排距1150 mm×1000 mm，錨索每排為2 根時(shí)，布置在兩排錨桿正中間，錨索每排為1 根時(shí)，與兩排錨桿中間偏離225 mmn 布置。配有恒阻裝置，直徑88 mm，長(zhǎng)度500 mm，讓壓距離300 mm，讓壓載荷350 kN。每根錨索使用1 支MSCK2535 和2 支MSK2550 樹(shù)脂錨固劑錨固，設(shè)計(jì)預(yù)緊力不低于50 kN。垂直頂板布置，托盤(pán)采用300 mm×300 mm×12 mm鋼托盤(pán)。

（4）工字鋼支護(hù)參數(shù)

因2310 工作面采空區(qū)下圍巖較為破碎，采用11#礦工鋼加強(qiáng)支護(hù)，排距為2000 mm，布置在兩排錨桿中間，棚腿向內(nèi)傾斜5°，與錨索交叉布置，架棚從進(jìn)入2310 工作面采空區(qū)前20 m 開(kāi)始，至通過(guò)2310 工作面采空區(qū)后20 m 結(jié)束。

（5）噴漿

因工作面回采底板破壞深度約2.0 m，巷道掘進(jìn)擾動(dòng)范圍在2～3 m，2308 工作面運(yùn)輸巷存在與2310工作面采空區(qū)貫通的危險(xiǎn)，2308 工作面運(yùn)輸巷頂板采用噴漿堵塞漏風(fēng)通道，并能防風(fēng)化，充填裂隙。要求噴漿混凝土強(qiáng)度C20，厚度大于50 mm，且噴層厚度能封閉頂板裂隙、覆蓋工字鋼棚。

（6）網(wǎng)與網(wǎng)聯(lián)接方式

頂（幫）網(wǎng)片壓茬不少于100 mm，肩窩處壓茬不少于200 mm，接茬處用14 鐵絲雙排相連（“三星”聯(lián)網(wǎng)），每排聯(lián)網(wǎng)間距不大于100 mm。上網(wǎng)時(shí)，確保網(wǎng)片處于拉緊狀態(tài)，杜絕人為網(wǎng)兜現(xiàn)象。

3.2 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

2308 工作面運(yùn)輸巷除局部因斷層影響巷道頂板較破碎外，其余在回采期間無(wú)較大變形，回采期間巷道表面變形規(guī)律與數(shù)值模擬較為接近，采用優(yōu)化方案能在加快工程進(jìn)度的同時(shí)有效控制住巷道圍巖變形。

4 結(jié)論

（1）2308 工作面運(yùn)輸巷原有支護(hù)方案中錨桿、錨索有過(guò)大的富余承載空間，整體支護(hù)強(qiáng)度過(guò)高，從而支護(hù)成本過(guò)高，工程進(jìn)度緩慢。

（2）通過(guò)優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，改變錨桿錨索布置形式，在保證施工便捷及經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，取得了較好的支護(hù)效果。

（3）本支護(hù)優(yōu)化方案可有效加快工程進(jìn)度，對(duì)于同種類(lèi)型巷道的支護(hù)優(yōu)化有一定的應(yīng)用價(jià)值與參考意義。