基于大循環步距的底抽巷快速支護技術研究

石兵

（山西潞安化工集團調度中心 李村煤礦，山西 長治 046600）

隨著我國煤礦開采技術的迭代更新以及采煤方法的不斷發展，與之相配套的開采設備機械化水平也在持續提升，然而巷道掘進速度卻仍處于較低水平，直接導致了工作面采掘接替緊張，阻礙了礦井的發展[1]。對此，國內外眾多專家學者對于快速掘巷技術開展了大量的研究，馬睿[2]提出通過增加巷道空頂距提高掘進速度，并模擬了不同空頂距離下的巷道頂板下沉情況；李建波等[3]基于實際生產條件，采取增加錨桿間排距的方式減少了支護時間；韓龍[4]針對巷道快速掘進后的空頂區頂板穩定性進行分析，并重點優化了一次支護參數；馬利[5]以邢臺煤礦為研究背景，修正了巷道的臨時支護參數、掘進機截割寬度、施工工藝等，提高了巷道的掘進速度。

1 概 況

李村煤礦西翼2 號瓦斯治理巷為底板瓦斯預抽巷，是布置于3 號煤層采煤工作面底板的全巖巷道，具有巷道服務周期短、施工工程量大、掘巷難度高等特點；采用綜合機械化掘進、循環進尺為1 400 mm“一掘一支”，支護準備作業及工序間銜接耗時巨大、掘巷速度慢，是制約礦井采掘接續與安全生產的關鍵。3 號煤層直接頂為黑色砂質泥巖，基本頂為灰黑色粉砂巖；直接底板為灰色細粒砂巖，基本頂為黑色泥巖，頂底板鉆孔柱狀圖如圖 1 所示。

圖1 巷道頂底板鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole histogram of roadway roof and floor

2 快速掘進制約因素

（1）作業工序。西翼2 號瓦斯治理巷施工采用“三班倒”作業模式。由于掘進循環進尺為1 200 mm，即“一掘一支”，非“掘、支、運”耗時60 min，占作業總用時的25%，成巷每米耗時約為171.5 min；支護準備作業及工序間銜接耗時大，增加了成巷每米耗時，影響掘巷速度。

（2）巷道支護分析。西翼2 號瓦斯治理巷采用錨網索梁聯合支護方式，錨桿采用φ22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M24，間排距1 200 mm×1 400 mm。由于西翼2 號瓦斯治理巷的服務年限較短，且斷面使用要求不高（主要用于工作面瓦斯抽放），采用過度支護會造成支護成本上升并影響掘進速度。巖性穩定時可在保證安全的前提下適當降低支護強度，減少永久支護耗時，提高掘進效率。

3 大循環步距快速掘巷機理

3.1 空頂區頂板結構及力學模型

巷道在開挖后，圍巖固有狀態被打破，上覆巖層重量直接作用在頂板上。因此，在巷道開挖后需要及時支護，以保證巷道頂板穩定性。然而，在巷道開挖后、支護前的一段時間內，巷道前方處于空頂區，頂板尚未進行支護，很容易在上覆巖層作用下發生變形、冒落破壞，因此空頂區頂板穩定性至關重要[6]。

為方便后續理論計算，將拱形巷道簡化為矩形巷道進行分析求解。煤層上方存在0.9 m 相對較薄的泥巖，因此可以將頂板簡化為矩形薄板力學模型。巷道寬度為a，工作面前方未支護長度為b，頂板厚度h，如圖2 所示。

圖2 巷道空頂區力學模型示意Fig.2 Mechanical model of roadway empty roof area

根據薄板理論，假設頂板上方存在勻布荷載q，在勻布荷載q 的作用下，薄板內部應力見式（1）。

理想情況下巷道空頂距見式（2）。

式中：b 為空頂距，m；a 為巷道寬度，m；h 為頂板下位巖層厚度，m；q 為上覆巖層重量，MPa；σt為極限抗拉強度，MPa。

實際施工時，考慮到兩幫煤壁可能發生變形、施工存在一定誤差、空頂區工人安全等因素，需要增加一個安全系數，因此實際最大空頂距見式（3）。

式中：B 為實際最大空頂距，m；k 為安全系數，取1.4。

根據西翼2 號瓦斯治理巷頂板巖性分析，關鍵層主要為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖，頂板承受載荷主要以巖層自重為主，因此上覆巖層載荷如下：

根據室內試驗求得σt=1.74 MPa，將其帶入公式（2）求得理想狀態下的空頂距，帶入公式（3）求得最大空頂距約為3 m。

3.2 循環步距對巷道圍巖穩定性影響規律

基于現場生產地質條件建立數值計算模型，模型尺寸長×寬×高=40 m×50 m×40 m，固定模型底面，限制模型4 個側面的水平運動，設置上覆巖層自重為10 MPa，模擬側壓系數1.0，采用彈塑性材料，具體數值計算模型如圖3 所示。固定巷道尺寸不變，分別建立循環步距為1.4、2.8、4.2 m 共計3 個尺寸的數值模擬方案。

圖3 數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2.1 循環步距對圍巖應力的影響

沿掘進巷道中軸線做豎直剖面，不同循環步距下巷道圍巖垂直應力分布情況如圖4 所示。

圖4 循環步距對圍巖垂直應力分布特征的影響Fig.4 Effect of cyclic step on vertical stress distribution characteristics of surrounding rock

巷道掘進后頂板出現應力集中，隨著循環步距的增加頂板垂直應力不斷增大。循環步距為1.4 m 時，頂板上方圍巖僅在巷道表面出現應力集中；步距為2.8 m 時，頂板上方深部圍巖開始出現整體應力集中傾向，但并不明顯；步距為4.2 m 時，頂板上方垂直應力集中明顯，達到17～18 MPa，威脅到巷道安全。

3.2.2 循環步距對塑性區范圍的影響

沿掘進巷道中軸線做豎直剖面，不同循環步距下巷道圍巖塑性區范圍如圖5 所示。

圖5 循環步距對巷道圍巖塑性區的影響Fig.5 Effect of cyclic step on plastic zone of roadway surrounding rock

由圖5 可知，不同循環步距對工作面前方和巷道底板塑性區幾乎無影響，對巷道頂板影響較大。隨著循環步距的增加，巷道前方和底板破壞形式變化不大，頂板由剪切破壞逐漸向拉伸破壞發展，且拐點出現在2.8 m，拐點之前塑性區發展緩慢，拐點之后塑性區發展速度大幅增加。

3.3 大循環步距快速掘巷效果

合理的循環進尺能有效減少支護準備作業及工序間銜接耗時，理論分析西翼2 號瓦斯治理巷在巷道開挖后、支護前一段時間內最大空頂距，模擬了不同循環步距對巷道穩定性的影響，綜合分析可得西翼2 號瓦斯治理巷掘進循環進尺方面仍有加大空間，而循環步距和掘進速度的關系見表1。

表1 不同循環步距下掘進速度對比關系Table 1 The comparative relationship of excavation speed under different cycle steps

由表1 可得，加大循環步距能夠減小成巷每米耗時與非“掘、支、運”耗時占比，減少支護準備作業及工序間銜接耗時、提高巷道掘進速度；但在支護與支護準備等工序中仍有壓縮用時、提速空間。

4 合理優化支護參數快速掘巷

4.1 支護參數合理優化

（1）原支護方案。巷道采用錨網索梁聯合支護方式，錨桿采用桿體為φ22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M24，排距為1 200 mm，每支錨桿搭配150 mm×150 mm×12 mm 拱形托盤，使用MSCKb2335、MSZ2360 錨固劑各1 支，錨固力不小于190 kN，預緊力矩為400 N·m。錨索直徑22 mm，1×19 股高強度松弛預應力鋼絞線，錨索長度6 300 mm，每根錨索使用3支MSZ2360 樹脂錨固劑。

（2）支護參數優化及其支護效果。對巷道支護參數進行優化后，保留錨桿自身材質參數不變，錨桿排距由原來的1.2 m 增加至1.4 m，一排布置9根錨桿。頂部錨索按照“2-1-2”布置，錨索2 根時，間距2 400 mm，錨索1 根時，居中打設。巷道支護設計如圖6 所示。

圖6 巷道支護設計Fig.6 Roadway support design

在巷道頂底板中部和兩幫中部布置測站。巷道表面位移監測結果如圖7 所示。

圖7 巷道圍巖位移監測Fig.7 Displacement monitoring of roadway surrounding rock

可知，巷道表面位移在開挖前5 d 快速增長，頂板變形量最大達到12.8 mm/d，兩幫移進量最大達到16.9 mm/d。在5～20 d，巷道變形量持續穩定低速增長。20 d 后巷道達到穩定，變形量幾乎不再變化，最終頂底板變形量穩定在48 mm，兩幫移進量穩定在67 mm，均在安全范圍內，巷道穩定性好，完全滿足巷道使用要求。

4.2 合理弱化支護參數快速掘巷效果

前文根據巷道服務年限合理降低支護強度，不同支護方案掘進速度見表2。

表2 不同支護方案下掘進速度對比關系Table 2 Comparative relationship of excavation speed under different supporting schemes

從表2 可以看出，合理弱化支護參數后，支護準備與永久支護等工序中單位時間內能完成更多循環進尺，進一步降低了成巷每米耗時，提高了掘進速度，采用大循環步距并合理弱化支護的快速掘進技術，相較于原有掘進技術速度提升約36.5%。

5 結 論

（1）分別從生產裝備、作業工序、巷道支護等方面分析了西翼2 號瓦斯治理巷掘進過程中影響掘進速度的關鍵制約因素：①合理的循環進尺能有效地減少支護準備作業及工序間銜接耗時；②根據巷道服務年限降低支護強度，能夠減少永久支護耗時，提高掘進效率。

（2）建立了頂板力學模型，計算出西翼2 號瓦斯治理巷最大空頂距約為3 m；結合數值模擬研究了不同循環步距下的巷道圍巖穩定性特征，結果表明，循環步距為2.8 m 時能夠滿足巷道安全性，有效減少支護準備作業及工序間銜接耗時。

（3）合理優化了巷道原有支護參數，錨桿排距由1.2 m 增加到1.4 m，在滿足巷道斷面使用要求同時，減少永久支護耗時，將巷道掘進速度提升36.5%。