巷道快速掘進支護技術的對比研究

朱 毅

（晉能控股煤業集團同發東周窯礦， 山西 大同 037100）

引言

錨桿支護技術屬于煤礦巷道支護設計中的一項重要技術[1]，合理的支護方案不僅能夠充分發揮出錨桿支護的優越性，還能夠保證巷道的安全[2]。目前，絕大多數煤礦巷道基本都采用錨桿支護，而錨桿支護設計方案大多采用工程類比法[3]，由于煤礦地質的不同及難以及時探明巖層頂板的巖性以及巖層結構，使支護設計不能及時更新[4]，且設計的方案強度不夠，還可能造成冒頂事故、巷道過早被破壞、服務期限短等問題；如果支護強度過剩，則會浪費資源，使掘進效率降低[5]。錨桿支護機理是利用依靠圍巖自身力量來承受壓力，使周圍巖石的強度增強，并通過巖層本身力量和保護區作用，產生完整的一個承重體[6]，使錨固區的巖體能夠承受更大的壓力，使圍巖的受力參數發生改變，進而提升圍巖的復原力，這就形成了錨網索、貓網索噴、錨噴等支護技術[7-8]，讓圍巖和支護體作為一個整體來承受地壓，因此，錨桿支護主要有以下四種理論：懸吊理論、組合梁理論、復合拱理論以及最大水平應力理論[9-10]。本文以某礦為研究對象，在原巷道支護基礎上，又提出兩種不同優化方案，對比確定巷道的最佳支護方案，進而降低巷道支護成本，實現斷面巷道的快速掘進和礦井生產的高效。

1 巷道快速掘進不同支護方案的設計分析

本文以某礦為對象，基于該礦的煤層地質條件復雜、支護難度大的實際情況，在原錨桿支護方案設計基礎上，又提出兩種相對更優的錨桿支護方案。三種不同支護方案設計如下：

1.1 原巷道錨桿支護方案

頂板支護：頂錨桿采用三花眼布置錨桿，規格為Φ22 mm×2 400 mm 的無縱筋左旋螺紋鋼，錨桿間排距900 mm、1 000 mm，采用Z2360 和K2335 的樹脂藥卷，預緊力大于150 N·m，錨固力大于6 t；頂板錨索三二三布置，且規格為Φ17.8 mm×8 300 mm，頂板角錨桿和角錨索的角度大于75°。此外鋪設金屬網，其規格是2 000 mm、1 000 mm，網格由100 mm×100 mm的Φ6 mm 冷拔鋼筋制作而成，并搭配W 型鋼帶，其規格是4 700 mm×160 mm×3 mm。另外，巷道兩上肩窩處補打錨桿，其規格同于頂錨桿。圖1 為巷道原頂錨桿支護斷面圖。

圖1 巷道原頂錨桿支護斷面圖

左幫支護：選用玻璃鋼錨桿和塑料網聯合支護形式，其中，玻璃鋼錨桿采用右旋螺紋樹脂錨桿，其規格是Φ20 mm×2 200 mm，錨桿間排距是1 200 mm、1 000 mm，三花眼布置錨桿，選用樹脂藥卷Z2360 的錨固錨桿，錨固長度大于600 mm，錨固力大于70 kN。此外，搭配塑料網，其規格是2 000 mm、1 000 mm，網格規格是50 mm×50 mm。

右幫支護：選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格是Φ22 mm×2 400 mm，錨桿間排距是1 200 mm、1 000 mm，選用Z2360 和K2335 的樹脂藥卷，錨固長度大于1 200 mm，預緊力大于150 N·m，三花眼布置錨桿。此外，搭配金屬網，規格是2 000 mm、1 000 mm，網格規格是100 mm×100 mm 的Φ6 mm 冷拔鋼筋制作而成。圖2 為巷道原兩幫錨桿支護示意圖。

圖2 巷道原兩幫錨桿支護斷面圖

1.2 優化方案1

頂板支護：將頂板兩肩窩處補打的錨桿進行去掉，其余參數同于原方案。

兩幫支護：左右兩幫錨桿都采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其規格是Φ22 mm×2 400 mm，錨桿間排距不變，且每間隔兩排，一根錨索替代上幫處一根錨桿，其規格是Φ15.24 mm×5 000 mm，其余參數不變。方案1 的巷道頂板和兩幫支護斷面圖如圖2 所示。

圖2 優化方案1 巷道支護斷面圖

1.3 優化方案2

頂板支護：頂板錨索支護由原方案中的“三二三”支護形式改為“二二”支護，排距是1.5 m，采用交替支護形式，一排位于垂直距離1.5 m 鋼帶兩端，也就是巷道上頂角處，且和垂直方向成30°；一排位于兩鋼帶間。圖3 為優化方案2 頂板支護斷面圖。

圖3 優化方案2 頂板支護斷面圖

兩幫支護：兩幫每排增加一根錨桿，其強度同于原方案中左右兩幫錨桿的強度，錨桿間排距是1 m、1 m。圖4 為優化方案2 兩幫支護斷面圖。

圖4 方案2 兩幫支護斷面圖

2 不同支護方案的效果分析對比

通過對原支護方案以及優化方案1 和2 進行圍巖穩定性分析，得到表1 所示的結果。

表1 設備優化結果對比 s

表1 不同巷道支護方案下圍巖的穩定性結果

優化方案1 相比于原方案，頂板將肩窩處的錨桿去掉，兩幫錨桿更換為左旋無縱筋螺紋錨桿，且每間隔兩排由一根錨索代替上幫一根錨桿外，其余支護形式一樣，模擬結果表明，只有兩幫位移量變化比較明顯，頂板最大位移量幾乎無變化，頂板和兩幫塑性區深度變化較小，錨桿和錨索最大軸力不同，特別是錨索最大受力變化顯著。對比可知，肩窩處不補打錨桿，巷道支護效果不好，需加強幫部支護。

優化方案2 相比于原方案，去掉頂板肩窩處的錨桿，錨索替換鋼帶內的錨桿，即每排減少3 根錨桿，每6 排增加1 根錨索。因此，方案2 相比于原方案，多了66 根錨桿和7 根錨索。依據一根錨桿和錨索分別用時5.7 min 和16.2 min 計算，且幫處錨桿的施工要比頂錨桿快，因此，單打錨桿就可提高效率15%。此外，對比原方案，兩幫最大位移量減小15.6%，兩幫塑性區深度減小2.03%。

優化方案2 相比于方案1，頂板支護每6 排少用4 根錨桿，多用1 根錨索，按照上述錨桿和錨索用時計算，從頂板支護時間和費用上來看，方案2 更優。此外，優化方案中，頂板位移量變化量相差不大，但是兩幫最大位移量、頂板和兩幫塑性區以及錨桿錨索軸力中，方案2 均優于方案1。

3 結論

1）原支護方案下，圍巖最大位移量是45.4 mm，頂板及兩幫破壞深度分別是0.93 m 和4.43 m；錨桿和錨索最大軸力分別是186.8 kN 和213.8 kN。

2）最優方案2 下，圍巖最大位移量是45.6 mm，頂板及兩幫破壞深度分別是0.94 m 和4.34 m；錨桿和錨索最大軸力是178.3 kN 和209.1 kN。

3）通過對巷道優化后，能夠滿足巷道支護要求，降低巷道支護成本，利于斷面巷道的快速掘進和礦井生產的高效。