煤礦采掘交鋒期間掘進巷道支護設(shè)計研究

岳志高

（晉能控股煤業(yè)集團地煤公司，山西 大同 037003）

1 5505 巷概況

焦煤礦5 號煤層屬大同煤田石炭系特厚煤層，與4 號煤層的間距平均為15 m 左右，但局部可能變薄，由23 號柱狀圖顯示，兩層煤的間距為7.28 m。5 號煤層305 盤區(qū)8505 工作面5505 巷正在掘進，北部為正在回采的5 號煤層8503 工作面，兩工作面間的煤柱寬度為28 m 左右，上覆4 號煤層8503 工作面已經(jīng)回采完畢，內(nèi)錯4 號煤層8505 工作面5505 巷2.3 m，下部為8 號煤層實體煤；南部為5 號層305 盤區(qū)實體煤；東部為5 號層305 盤區(qū)大巷；西部為礦界安全煤柱。5 號煤層5505 巷地面標高為1352～1398 m，工作面標高為1028～1044 m。

2 掘進巷道臨空動壓分析

5 號煤層8503 工作面回采期間產(chǎn)生的超前及側(cè)向支承壓力預計會對5505 巷的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，經(jīng)論證分析，結(jié)果表明：

1）5 號煤層5505 巷周圍采掘活動頻繁，應力場環(huán)境復雜。4 號和5 號煤層屬于近距離煤層開采，5 號煤層8503 工作面正在回采，5505 巷正在掘進，屬于迎采動面掘進巷道。5 號煤層5505 巷既屬于近距離煤層開采問題，又屬于臨空動壓巷道問題。

2）近距離上部煤層開采會影響下部煤層應力場分布。對于近距離煤層開采而言，上部煤層的開采條件和距下部煤層的距離大小，將決定對下部煤層開采的影響程度，當上、下煤層間距離小到一定程度時，上部煤層開采對下部煤層開采的影響將非常顯著，下部煤層開采之前頂板的完整性已受到上部煤層開采的破壞，而且因上部煤層的開采方法不同，使得下部煤層所處的力學環(huán)境也不同。數(shù)值計算結(jié)果表明：4 號煤8503 工作面回采在煤柱中產(chǎn)生的集中應力會向底板中傳遞，5 號煤應力在距離4 號煤采空區(qū)邊緣13.8 m時開始攀升，深入煤柱20.8 m 后超過原巖應力，5505巷所處位置應力場已超過原巖應力，且在靠近采空區(qū)邊緣時應力處于不均勻狀態(tài)，不利于巷道的穩(wěn)定。

3）5505 巷穩(wěn)定性受多重因素影響，其中采動影響劇烈程度及影響次數(shù)是導致巷道變形主要因素。焦煤礦5 號煤5505 巷埋藏深度較小、地質(zhì)構(gòu)造簡單，有利于巷道的穩(wěn)定，但是其采動應力場環(huán)境復雜，既受已經(jīng)回采完畢的4 號煤8503 工作面回采殘余應力影響，又受臨近5 號煤8503 工作面回采動壓影響，且在5 號煤8505 工作面里部受上部4 號煤8505 工作面回采支承壓力影響，在未來會受本工作面回采動壓影響，其所處應力場環(huán)境受3～4 次工作面采動影響，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

4）臨近5 號煤層8503 工作面回采對5505 巷穩(wěn)定性影響較為顯著。目前5 號煤8503 工作面正在回采，5505 巷屬于迎采動面掘進巷道，當5505 巷進入8503 工作面采空區(qū)范圍時，8503 工作面采空區(qū)冒落矸石處于劇烈活動期，而且同4 號煤層采空區(qū)層間距小，上覆巖層活動更為劇烈，非常不利于巷道的穩(wěn)定。

3 強烈動壓巷道圍巖控制原則

5 號煤8505 工作面5505 巷掘進期間受多次采動影響，為了避免巷道多次維護，提出如下控制原則[1]：

1）巷道圍巖經(jīng)歷多次采動的影響，淺部圍巖呈脆性破壞，破壞嚴重，局部為散粒狀分布，為破碎型圍巖。對此類圍巖，必須大幅提高錨桿支護的初期強度和剛度，通過施加足夠預緊力并通過組合構(gòu)件實現(xiàn)預應力擴散，將圍巖錨固成一整體，提高錨固體的強度，阻止圍巖的裂隙擴展，防止圍巖變形進一步惡化。具體應采用高預緊力錨桿錨索協(xié)調(diào)支護，補償圍巖側(cè)向應力損失，阻止圍巖內(nèi)部節(jié)理、裂紋的擴展。

2）巷道淺部圍巖的變形主要為裂隙擴展、散體滑動和節(jié)理錯動等，屬于不連續(xù)的有害變形，對這部分變形必須及時強力進行控制，阻止其進一步惡化。傳統(tǒng)的“讓壓二次支護”無法阻止圍巖表面的有害變形，沿空巷道支護應該采用強力一次支護的原則，最大限度地保持圍巖的完整。

3）沿空掘巷會經(jīng)歷多次采動影響，圍巖總體變形量大，因此錨桿支護系統(tǒng)必須能夠適應多次采動的影響。采用“時空兼顧”的觀點，一次支護即能滿足多個階段的支護要求，有效控制圍巖的變形與破壞，避免多次支護與翻修。

4）沿空掘巷變形劇烈、變形量大，頂板回轉(zhuǎn)對巖層的沖擊作用強烈，要求支護系統(tǒng)應具有足夠的強度、沖擊韌性和較高的自身延伸率，以提高抗沖擊能力，適應圍巖的各向變形，控制圍巖的不連續(xù)變形，適應圍巖的連續(xù)變形。

5）沿空掘進巷道在臨近工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懴拢褐诟呒袘ψ饔孟聲l(fā)生部分甚至全部屈服破壞，造成沿空巷道的幫部發(fā)生破壞，引起兩幫的水平移動，從而會擠壓頂板和底板，造成頂板鋼帶折斷或底鼓現(xiàn)象。因此對于沿空巷道必須強化對兩幫的支護，而且需要降低起錨高度，以減少因兩幫移動引起的底鼓現(xiàn)象。

4 支護參數(shù)設(shè)計

4.1 支護設(shè)計原則

針對焦煤礦地質(zhì)生產(chǎn)條件，為了充分發(fā)揮錨桿錨索主動支護的作用，提出以下設(shè)計原則：

1）一次支護原則。錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。一方面，這是礦井實現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務的巷道和硐室等工程，需要保持長期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修；另一方面，這是由錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護效果會受到顯著影響。

2）高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數(shù)，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預應力；另一方面，通過托盤、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)錨桿預應力的擴散，以擴大預應力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

3）“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度（如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度）、剛度（提高錨桿預應力、加長錨固），保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，以減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度[2]。

4）臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應大于臨界值。

5）相互匹配原則。錨桿托盤、螺母、鋼帶等構(gòu)件的參數(shù)與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學性能應相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用[3]。

6）可操作性原則。提供的錨桿支護設(shè)計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。

7）在保證巷道支護效果和安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。

4.2 支護參數(shù)確定的依據(jù)

1）臨近及上覆工作面巷道現(xiàn)有支護狀況和巷道變形情況；

2）理論分析及數(shù)值計算成果；

3）8505 工作面詳細地質(zhì)資料；

4）現(xiàn)有科技成果和工程實踐經(jīng)驗。

4.3 支護參數(shù)原始與變更后設(shè)計

5 號煤8505 工作面5505 巷沿5 號煤底板掘進，考慮到掘進過程中設(shè)備尺寸、通風要求和巷道圍巖變形預留量[4]，設(shè)計5505 巷掘進斷面尺寸為寬×高=4000 mm×3400 mm，斷面積13.6 m2。5505 巷掘進期間不同地段采動影響不同，既受已經(jīng)回采完畢的4 號煤8503 工作面回采殘余應力影響，又受臨近5 號煤8503 工作面回采動壓影響，同時在5 號煤8505 工作面里部受上部4 號煤8505 工作面回采影響。為此，5505 巷的支護設(shè)計將充分考慮三個階段的影響：一是與5 號煤8503 工作面超前影響段，即5505 巷掘進時8503 工作面為實體煤，巷道成型后受8503 工作面回采動壓影響；二是5 號煤8503 工作面滯后影響段，即5505 巷掘進時沿5 號煤8503 工作面采空區(qū)；三是4 號煤8505 工作面采空區(qū)下，即5505 巷掘進時位于4 號煤8505 工作面采空區(qū)下。

4.3.1 5 號煤層5505 巷原始支護設(shè)計

5 號煤層5505 巷原支護斷面為矩形，設(shè)計規(guī)格為4 m×3.4 m，巷道原支護設(shè)計為：

1）頂錨桿：采用規(guī)格Φ20 mm×2500 mm 螺紋鋼錨桿，排間距1000 mm、900 mm，每排5 根，全部垂直頂板打設(shè)；錨桿預緊力矩≥300 N·m；同時配合使用W 型鋼帶和菱形金屬網(wǎng)支護，W 型鋼帶寬280 mm、厚5 mm、長3800 mm。菱形金屬網(wǎng)規(guī)格6000 mm×1200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格60 mm×60 mm，絲徑4.19 mm。

2）錨索：采用規(guī)格Φ21.8 mm×8300 mm“二二”間隔布置，錨索排間距3000 mm、1400 mm，全部垂直頂板巖層，錨索預緊力張拉鎖定后200 kN（錨索必須錨固到穩(wěn)定巖層1500 mm 以上，生產(chǎn)班每班用錨桿機探測煤巖情況，根據(jù)頂板巖層厚度選取錨索長度）。

3）兩幫護幫錨桿支護：采用規(guī)格Φ18mm×1500mm螺紋鋼錨桿，護幫W 型鋼帶寬280 mm、厚5 mm、長450mm。巷道南幫護幫錨桿支護2 排，排間距1000mm、1500 mm；北幫考慮到在煤柱側(cè)支護，護幫錨桿3 排，排間距1000 mm、1000 mm。

4）錨固劑選擇：頂板及護幫錨桿每孔使用1 支MSK2360 樹脂藥卷錨固；錨索每孔使用2 支MSK2360 樹脂藥卷錨固。

4.3.2 5 號煤層5505 巷變更后支護設(shè)計

為了保證5 號煤層5505 巷采掘交鋒期間的支護質(zhì)量可靠，對5505 巷與8503 工作面采掘交鋒點前后60 m 范圍內(nèi)的永久支護設(shè)計進行變更。變更后支護方式為：

1）頂板錨桿支護：仍按原設(shè)計執(zhí)行，采用規(guī)格Φ20 mm×2500 mm 螺紋鋼錨桿，排間距1000 mm、900 mm，每排5 根，錨桿全部垂直頂板打設(shè)；錨桿預緊力矩≥300 N·m；同時配合使用W 型鋼帶和菱形金屬網(wǎng)支護，W 型鋼帶寬280 mm、厚5 mm、長3800 mm；菱形金屬網(wǎng)規(guī)格6000 mm×1200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格60 mm×60 mm，絲徑4.19 mm。

2）頂板錨索支護：5 號層305 盤區(qū)5505 巷掘進至采掘交鋒前60～40 m 和上覆4 號層8505 工作面采空區(qū)影響范圍，頂板錨索支護由原來的每隔3 m 支護2 根單錨索變更為每隔2 m 支護2 根單錨索，其余支護方式不變，支護斷面如圖1 所示。5505 巷掘進至采掘交鋒前20 m 和采掘交鋒后60 m 范圍，頂板錨索變更支護為每隔2 m 支護1 根“一梁三錨”，錨索采用規(guī)格Φ21.8 mm×8300 mm，錨索排間距2000 mm、1500 mm，錨索預緊力張拉鎖定后200 kN；鋼梁采用11 號礦用工字鋼，鋼梁長3500 mm、眼距1500 mm（錨索必須錨固到穩(wěn)定巖層1500 mm 以上，生產(chǎn)班每班用錨桿機探測煤巖情況，根據(jù)頂板巖層厚度選取錨索長度），支護斷面如圖2 所示。

圖1 采掘交鋒前60～40 m 支護斷面示意圖（單位：mm）

圖2 采掘交鋒前20 m、后60 m 支護斷面示意圖（單位：mm）

3）兩幫支護：5 號層5505 巷與8503 綜放工作面交鋒相距前、后60 m 前范圍內(nèi)，對北幫（煤柱側(cè)）的護幫支護進行補強，兩幫支護仍執(zhí)行原設(shè)計。北幫支護設(shè)計變更為北幫護幫采用錨桿錨索聯(lián)合支護，施工3 排螺紋鋼錨桿，錨桿規(guī)格Φ18 mm×1500 mm，排間距為1000 mm、1000 mm，錨桿預緊力矩≥300 N·m；護幫W 型鋼帶寬280 mm，厚5 mm，長450 mm。施工2排護幫錨索，錨索規(guī)格Φ21.8 mm×4300 mm，排間距為2000 mm、1500 mm，上面一排錨索距頂板1000 mm，下面一排錨索距底板900 mm，錨索預緊力張拉鎖定后150 kN，錨索托板使用鋼質(zhì)預應力托盤，規(guī)格為250 mm×250 mm×16 mm；護幫支護距工作面不大于3 m，當巷道兩幫片幫達到200 mm 時，護幫網(wǎng)必須緊跟工作面。

4）錨固劑選擇：頂板及護幫錨桿每孔使用1 支MSK2360 樹脂藥卷錨固。頂板錨索及幫錨索每孔使用2 支MSK2360 樹脂藥卷錨固。

5 結(jié)語

通過對5 號煤5505 巷采掘交鋒期間頂板與兩幫的支護設(shè)計調(diào)整，有效保證了巷道的支護效果，最大限度地減少了巷道的變形，為后期的安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。