煤礦巷道快速掘進支護工藝研究

王國輝

（晉能控股煤業(yè)集團宏泰公司， 山西 大同 037000）

引言

我國約90%的煤炭是采取地下開采的方式進行，采煤過程中需要在地下進行巷道開挖，開挖過程中出現(xiàn)的冒頂?shù)仁鹿什粌H會延遲巷道成型，還會對施工人員的安全造成風險。另外，不穩(wěn)定的巖層會在巷道成型后期隨著時間產(chǎn)生形變，影響巷道的穩(wěn)定和安全。巷道掘進效率成為制約煤礦生產(chǎn)效率的核心要素，研究快速掘進工藝以及巷道支護工藝優(yōu)化，對于提升巷道穩(wěn)定性，解決礦井生產(chǎn)效率制約因素具有重要的現(xiàn)實意義。本文選取泥化軟巖運輸平巷為研究對象，進行掘進超前支護方案設(shè)計，以期為同行業(yè)掘進支護工藝優(yōu)化提供參考。

1 管棚超前支護形式

超前支護主要是解決巷道開挖過程中出現(xiàn)巖體塌陷破壞巷道成型的一種支護工藝，主要措施是在巷道確定開挖位置后，根據(jù)巷道剖面形狀，在巷道開挖前的路徑上設(shè)置拱形或其他具有支護巖層作用的支護構(gòu)件，通過支護構(gòu)件的設(shè)置可以極大降低巷道開挖對巖層穩(wěn)定性的破壞，保證巷道開挖的安全性和巷道成型的穩(wěn)定性。實際上超前支護構(gòu)件的設(shè)置除了控制巷道開挖巖層變形外，對成型后的巷道穩(wěn)定性也有很大益處，有研究表明，設(shè)置有超前支護構(gòu)件的巷道成型后，相同時間內(nèi)的巷道變形量遠遠低于為設(shè)置超前支護構(gòu)件的巷道[1-2]。管棚法是常用的超前支護方法，將鋼管通過計算確定排布方式，保證打入巖層內(nèi)的鋼管組能夠在巷道頂層形成支護加固體系，能夠承受大部分上層巖層荷載，管棚的兩端要分別固定在未開挖巖體和支護體兩側(cè)，使管棚結(jié)構(gòu)能夠受力，原理圖見下圖1。

如圖1 所示，管棚是搭建在巷道預(yù)成型前的未開挖巖體和開挖段后的支護結(jié)構(gòu)上，對上層巖層起到支撐作用，能夠承載上層巖層壓力，保證圍巖的穩(wěn)定；隨著施工的進行，巷道預(yù)成型方向上的管棚數(shù)量越來越多，可以有效降低前期管棚件的荷載，降低加固環(huán)的應(yīng)力變形，加固環(huán)與管棚相連，拱部圍巖的形變應(yīng)力會沿著管棚和加固環(huán)傳遞到支護結(jié)構(gòu)上，進而形成整體支護結(jié)構(gòu)，同時降低各支護件的荷載，保證支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和有效，如果在管棚結(jié)構(gòu)完成后，巷道開挖中出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿剩芘镏ёo會大大降低冒頂巖層的下降速度，起到支護緩沖作用[3-4]。

2 1233 運輸平巷超前支護參數(shù)設(shè)計

管棚結(jié)構(gòu)的超前支護法設(shè)計核心參數(shù)主要包含兩方面內(nèi)容：鋼管屬性參數(shù)和鋼管位置參數(shù)。鋼管屬性參數(shù)主要有長度、管徑以及管壁厚，位置參數(shù)則是鋼管嵌入位置、間距以及搭接長度等，合理地設(shè)計參數(shù)才能真正起到與支護作用。

2.1 管棚鋼管屬性參數(shù)設(shè)計

2.1.1 鋼管長度

礦井超前支護鋼管常用長度規(guī)格有兩種，一種是長規(guī)格10～45 m 的，另一種是短規(guī)格＜10 m 的，兩種規(guī)格的鋼管作用不同。短鋼管安裝簡單，需要的鉆孔深度較淺，但超前支護距離短，循環(huán)量大，且往往與巷道的開挖交替進行；長鋼管的超前支護距離長，對巷道開挖的超前支護作用優(yōu)于短鋼管，但需要鉆孔深度深，安裝作業(yè)難度高[5-6]。二者各有優(yōu)缺點，在井下超前支護選擇鋼管長度時，一般按照需要支護的圍巖自穩(wěn)能力來確定，而圍巖自穩(wěn)能力由巖體的內(nèi)摩擦角決定，因此鋼管長度可按以下公式計算：

式中：L 為鋼管長度，m；H 為圍巖的塌落高度，m；θ 為巖體的內(nèi)摩擦角，（°）。

按照1233 運輸平巷的巖層參數(shù)，計算管棚鋼管長度。通過圍巖巖石力學(xué)測試結(jié)果顯示，該段圍巖巷道破壞高度為2.51 m，巖體的內(nèi)摩擦角為26.21°，通過式（1）計算可知，鋼管的長度應(yīng)為5.6 m 左右，考慮到該段巷道圍巖的巖體較差，適當加長了鋼管長度，最終確定支護鋼管長度為6 m[7-8]。

2.1.2 鋼管管徑與壁厚

大鋼管和小鋼管一般都有匹配的管徑，常見的大鋼管管徑在50～159 mm 之間，小鋼管管徑在30～50 mm 之間，考慮到現(xiàn)場施工的方便，大鋼管的安裝一般采用分節(jié)制作和分節(jié)安裝的方式進行，結(jié)合1233 運輸平巷的工況環(huán)境，可以采用熱軋無縫鋼管Φ50 mm、壁厚5 mm、每節(jié)長3 m，兩節(jié)拼接的鋼管規(guī)格，兩節(jié)拼接處采用絲扣連接的形式，入孔端的鋼管為便于深入，將端部加工成錐形以引導(dǎo)插入，為保證兩節(jié)連接的可靠性，絲扣端長度不應(yīng)低于100 mm，另外在第一節(jié)鋼管安裝時保證鋼管的被切削的一面朝上，有利于水流入鋼管。長鋼管外形示意圖如圖2 所示：

圖2 長鋼管外形示意圖（單位：mm）

2.2 管棚鋼管位置參數(shù)設(shè)計

2.2.1 開孔位置

鋼管開孔位置主要由兩個因素確定，一是巷道開挖的輪廓線，鋼管開孔越靠近輪廓線，對巷道開挖過程中頂部圍巖支護效果越好；二是開孔施工的施工難度和精度，如果太靠近巷道輪廓線，而施工精度不高的情況下，會發(fā)生與巷道成型干涉的情況。由于采用Φ50 mm 的鋼管，可以取鋼管中心距離開挖輪廓線30 cm 處進行開孔[9-11]。

2.2.2 環(huán)向間距

環(huán)向間距要根據(jù)選擇的鋼管規(guī)格以及巖層屬性來確定，根據(jù)本文選擇的Φ50 mm 長鋼管，環(huán)向間距一般取0.3～0.4 m。根據(jù)1233 運輸平巷圍巖破碎特點，確定環(huán)向間距300 mm，即兩根鋼管的中心線沿著巷道輪廓線間距300 mm。管棚端面示意圖見圖3，該超前支護方式為U 型棚鋼管布置。

圖3 管棚端面示意圖（單位：mm）

2.2.3 搭接長度

由于U 型鋼棚距為800 mm，為了保證搭接后的管棚能夠承受上層圍巖壓力，同時考慮鋼管用量，設(shè)計鋼管搭接長度為1 200 mm，鋼管縱向布置方法見圖4。超前支護立體圖見圖5。

圖4 管棚搭接示意圖（單位：mm）

圖5 超前支護立體示意圖（單位：mm）

3 超前支護工藝效果分析

為了驗證管棚結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理性和有效性，對1233 運輸平巷進行掘進工藝試驗，掘進作業(yè)方式還是采用傳統(tǒng)的三班倒制度，通過監(jiān)測掘進進度與巷道表面位移量來探究管棚超前支護巷道開挖工藝效果，巷道表面位移量曲線圖見下頁圖6。

無支護巷道開挖掘進進度最小循環(huán)進尺為1.5 m，三班掘進距離約10 m，采用管棚超前支護工藝后，最小循環(huán)進尺為2.5 m，三班掘進距離約為14 m，掘進進度增加。圖6 顯示，采用管棚超前支護工藝后，掘進迎頭20 m 范圍內(nèi)的巷道位移量不大于40 mm，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到了穩(wěn)定提升。

圖6 巷道表面位移曲線圖

4 結(jié)論

為了保證巷道開挖時巖層的穩(wěn)定，降低巷道開挖冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生率，同時增加巷道成型后的穩(wěn)定，降低巷道長期受壓的變形量，展開了巷道開挖前超前支護工藝的研究，形成以下結(jié)論：

1）對管棚結(jié)構(gòu)的超前支護設(shè)計核心參數(shù)，如管棚鋼管長度、管徑以及管壁厚和管棚鋼管嵌入位置、間距以及搭接長度等參數(shù)的確定方法進行了研究，在保證施工效率的同時確保管棚支護結(jié)構(gòu)的有效性；

2）根據(jù)1233 運輸平巷圍巖特點，確定了鋼管長度為6 m，管徑為Φ50 mm，壁厚為5 mm，開孔位置為鋼管中心距離開挖輪廓線30 cm 處，環(huán)向間距300 mm 以及搭接長度1 200 mm 的超前支護方案；

3）為了驗證管棚結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理性和有效性，對1233 運輸平巷進行掘進工藝試驗，試驗表明，采用管棚超前支護工藝后，掘進效率增加約1/2，且掘進迎頭20 m 范圍內(nèi)的巷道位移量不大于40 mm，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到了穩(wěn)定提升。