沖擊地壓礦井回采巷道分級支護技術應用

煤礦巷道錨網索支護技術經多年發展，已經成熟應用于國內各礦，取得了顯著的經濟及安全效益。但在現場應用過程中，往往同一條巷道甚至同一個采區采用相同或近似的支護參數，致使巷道在后期使用過程中存在如下問題：一方面在某些地段因地質條件好、使用周期短，過度支護會造成材料的浪費，增加生產成本；另一方面因巷道不同地段條件不同，統一的支護參數在某些特殊地段因構造、淋水、沖擊地壓顯現及使用周期長等因素，支護很容易被破壞從而使巷道失修。尤其是沖擊地壓礦井，支護薄弱可能會導致巷道抗沖擊能力偏低，發生沖擊地壓時容易被摧毀。因此，開展沖擊地壓礦井回采巷道的分級支護技術研究，旨在確保支護強度的同時降低生產成本，提升經濟效益。

一、巷道支護參數臨界值計算

回采巷道分級支護技術的前提是在確保巷道支護質量的基礎上，在不同條件地段實施不同級別的支護參數，從而達到降本、提質、增安的目的。因此，確定巷道支護的臨界（最低）參數，將其作為分級支護的最低級別，可確保支護質量整體可靠。

1.錨桿支護參數臨界值。1）利用非金屬超聲波檢測儀等設備，對巷道圍巖松動范圍進行測試，確定出巷道松動圈范圍。在各向等壓條件下，運用極限平衡理論，計算出圓形巷道圍巖塑性區半徑。

2）依據松動圈理論，分別確定巷道頂部、幫部滿足支護條件錨桿的長度、直徑“式（1）”及間排距“式（2）”、錨固長度、錨桿數量“式（3）”等參數臨界值。

①錨桿長度為：圍巖松動圈厚度+錨桿外露及失效長度；

②錨桿直徑：

式中：S—桿體屈服強度，

P——單根錨桿承載力；

③錨桿間排距：巷道圍巖松動圈在2m范圍內時，以組合—懸吊機理為主，錨桿間排距為：

式中：Q——錨桿最大拉拔力，kN；

K——安全系數；

Lp——圍巖松動圈厚度，m；

γ——巖層平均容重，kN/m3。

④錨桿數量：

式中：N—錨桿數量；

K—安全系數；

Qr—載荷；

Pr—設計錨固力。

2.錨索支護參數臨界值。依據懸吊理論，確定巷道錨索長度、錨固長度“式（4）”、錨索直徑、錨索密度等參數臨界值。

1）錨固長度：

La≥K/4×d1×（fct/fcs）

式中：

La—錨索的錨固長度mm；

d1—錨索體直徑；

fct——錨索設計抗拉強度；

fcs——錨索與錨固劑的設計粘結強度；

K—安全系數；

2）錨索長度：按懸吊作用考慮錨索長度，則最小長度按非安全冒落計算。即：錨固長度+外露長度+懸頂煤層厚度。

3）錨索直徑：按照沖擊地壓礦井要求，選取直徑不小于20mm。

4）錨索布置密度：按照廣義懸吊理論，依據潛在冒落層深度、面積，計算單位長度范圍內冒落巖石重量，然后依據錨索破斷載荷反算單根錨索能夠承擔的冒落長度，依此計算錨索布置間排距。

3.支護臨界值確定。臨界值確定后，對照國家、行業相關支護參數要求，當計算臨界值大于規定值時，采用計算臨界值；當計算臨界值小于規定臨界值時，采用規定值作為臨界值。

二、巷道支護質量影響因素

綜合考慮巷道使用過程中面臨的物理、化學及使用周期等可能影響支護質量的因素，確定主要影響因素有：巖石松動圈、地應力、斷層、滲水情況、巷道使用年限、煤巖（頂板）沖擊傾向性。

1）巖體穩定性：主要參數為松動圈大小，其能夠恰當評定巷道圍巖在其所處環境條件下巷道支護的難易程度，依據取值范圍，分為4個取值檔，對應取值0-3，詳見表1。

2）地應力：開采區域內構造引起的應力增量與正常應力值之比

，依據取值范圍，分為4個取值檔，對應取值0-3，詳見表1。

3）斷層：主要有斷層落差、大小及巷道與斷層的距離，按照落差大小，分落差3-10m、落差大于10m兩類進行取值，其各自取值范圍分為4個取值檔，對應取值0-3，詳見表1。

4）滲水情況：巷道表面滲水情況，分無滲水、巷表潮濕、巷表滴水、巷表淋水分為4個取值檔，對應取值0-3，詳見表1。

5）巷道使用年限：巷道掘進完成至回采結束總時間，分為4個取值檔，對應取值0-3，詳見表1。

6）煤巖（頂板）沖擊傾向性：煤層及頂板沖擊傾向性鑒定結果，分為均無或一無一弱、均為弱、一弱一強、均為強4個取值檔，對應取值0-3，詳見表1。

三、支護級別評估

1）利用加權平均法，對六個影響因素根據對支護質量影響程度不同，分別賦予其相應的權重值。一般參照如下經驗值（部分礦井部分影響因素作用明顯的，可以進行微調）巖體穩定性：0.2；地應力：0.1；斷層：0.1；滲水情況：0.2；巷道使用年限：0.3；煤巖（頂板）沖擊傾向性：0.1。

2）將以上各因素取值乘以其對應的權重值，得到各因素的實際值，最后將各項實際值累加得到最終取值。

3）利用平均劃分法，對最終取值結果平均劃分為4個區間，分別為（0～0.75）（0.75～1.5）（1.5～2.25（2.25～3）），分別對應一級、二級、三級、四級4種支護級別。

四、巷道支護等級及其對應支護形式

依據安全生產的需要及長期支護經驗值，將回采巷道支護等級分為以下四級：

一級支護：采用錨桿、鋼筋托梁及金屬網片進行支護，各項支護參數等于或略大于臨界值。

二級支護：采用錨桿、頂部錨索、鋼筋托梁及金屬網片進行支護，各項支護參數等于或大于臨界值。

三級支護：采用錨桿、頂及幫部錨索、鋼帶及金屬網片進行支護，其中錨桿采用加長錨固或全長錨固，錨索支護參數均大于臨界值10%。

四級支護：采用錨桿、頂及幫部錨索、鋼帶及金屬網片進行支護，最后進行噴漿護表。

五、現場應用

1.支護等級確定。此分級支護技術在核桃峪煤礦2803運輸順槽開始試用，對照支護質量各影響因素取值表，其不同地段的支護級別計算如下。

1）巖體穩定性，根據實測結果，華亭煤礦松動圈范圍約為2m，取值2。

2）地應力，構造引起的應力增量與正常應力值之比為16%，取值1。考慮到在構造軸部附近構造應力會進一步增加，在軸部前后100m范圍內取值2。

3）斷層，開采區域無落差大于3m的斷層，取值0。

4）滲水情況：兩順槽巷道需定期灑水降塵整體為表面潮濕，取值1開切眼表面干燥，取值0。

5）巷道使用年限，按照巷道整體2000m，每月200m掘進速度、每月100m左右回采速度，安裝1月計算，整體巷道分為三段進行取值，分別為開切眼向外100m范圍，取值1；開切眼外100-1300m范圍，取值2；開切眼睛外1300m-2000m范圍，取值3。

6）煤巖（頂板）沖擊傾向性，頂板為弱沖擊，煤體為強沖擊，取值2。

根據以上取值代入進行計算，可得出2803運輸順槽支護級別評估情況表如下：

2.效果對比。以現場應用的280運輸順槽為例，其每排（0.8m）消耗的材料及費用明細及米巷成本如表3所示。

按照表內2803運輸順槽支護級別評估結果，其采用三級支護巷道共1000m、采用二級支護巷道共1000m、采用一級支護巷道共400m，其支護成本共約1155.42萬元。對照條件近似的1802運輸順槽，其掘進期間巷道支護參數與本文三級支護近似，支護成本共約1628.4萬元，每條順槽共節約472.98萬元。

在支護質量方面，2803運輸順槽掘進期間巷道變形量很小，與1802運輸順槽掘進過程中變形量基本一致，也未發生冒頂及沖擊地壓顯現造成的巷道大范圍變形事件。

六、主要結論

1）本文綜合考慮了影響巷道支護質量的6項主要因素，并將6項因素通過加權平均法進行量化處理，依此來判定巷道不同地段的支護級別，更具有可操作性。

2）本文對錨桿、錨索支護參數最低值進行測算，與相關規定進行對比后確定巷道支護各項參數臨界值，將臨界值作為最低支護等級，確保了巷道支護強度。

3）本發明基于各因素建立的分級支護體系，為各種條件下調整支護參數提供了依據，確保了“一巷一策、一段一策”支護方案的實現，實現了分類、分段支護，在確保支護質量的前提下降低了支護成本。

（作者單位：慶陽煤電公司核桃峪煤礦）