王安紅

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長(zhǎng)治 046013）

引言

煤礦開(kāi)采主要是在地底下進(jìn)行，特殊的作業(yè)環(huán)境決定了煤礦開(kāi)采前需要進(jìn)行巷道掘進(jìn)[1]。但巷道掘進(jìn)過(guò)程會(huì)對(duì)原本平衡的圍巖結(jié)構(gòu)體系造成破壞，如果不對(duì)巷道進(jìn)行保護(hù)，有可能會(huì)發(fā)生垮塌等安全事故，威脅礦井安全[2-3]。實(shí)踐中為保證巷道掘進(jìn)過(guò)程的安全，通常會(huì)配套使用支護(hù)技術(shù)，支護(hù)技術(shù)方案的優(yōu)劣直接決定了巷道掘進(jìn)過(guò)程的安全[4]。因此有必要對(duì)巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入分析和研究，進(jìn)而提升巷道掘進(jìn)過(guò)程的安全程度。

1 煤層及巷道基本情況介紹

三元煤礦設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力達(dá)為150 萬(wàn)t，其中的3 號(hào)煤層厚度范圍為3.17～5.29 m，厚度平均值約為4.75 m，煤層傾角范圍為3°～9°，平均傾角約為7°，可以看出煤層傾角相對(duì)較小，屬于近水平煤層。煤層中部位置存在一層矸石，將整個(gè)煤層劃分成為兩層結(jié)構(gòu)。煤層的運(yùn)輸巷道斷面形狀為矩形，寬度和高度分別為5 m 和3.3 m。巷道整個(gè)跨度相對(duì)較大，根據(jù)已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于跨度相對(duì)較大的巷道，頂板中部區(qū)域非常容易出現(xiàn)破壞，進(jìn)而引發(fā)冒頂問(wèn)題。這對(duì)支護(hù)技術(shù)工藝方案提出了相對(duì)較高的要求。

運(yùn)輸巷道的直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，同時(shí)部分區(qū)域包含有粉砂巖，直接頂厚度約為3 m。老頂以中細(xì)粒沙巖為主，厚度大約為5.68 m。老頂上部區(qū)域圍巖主要包括泥巖和砂巖，厚度平均值分別為11.27 m和17.25 m 左右。巷道的直接底主要為泥巖，內(nèi)部包含有少量的植物化石，厚度平均值約為0.7 m。老底以砂質(zhì)泥巖為主，部分區(qū)域存在中粒砂巖，厚度平均值約為3.63 m?；谝延械? 號(hào)煤層附近工程地質(zhì)資料，可以發(fā)現(xiàn)煤層沒(méi)有出現(xiàn)瓦斯和煤突出的問(wèn)題，沒(méi)有沖擊地壓危險(xiǎn)。以下基于上述的煤礦煤層運(yùn)輸巷道圍巖屬性，對(duì)其支護(hù)技術(shù)工藝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 運(yùn)輸巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)3 號(hào)煤層運(yùn)輸巷道支護(hù)技術(shù)工藝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分借鑒煤礦其他巷道的支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最終采用的是錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)工藝方案。

2.1 頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

頂板錨桿采用的是左旋螺紋鋼錨桿，其直徑和長(zhǎng)度分別為22 mm 和2.4 m，相鄰兩根錨桿之間的距離設(shè)置為0.9 m，將相鄰兩排錨桿之間的距離設(shè)置為1 m，根據(jù)以上設(shè)置每排需要設(shè)置6 根錨桿。錨桿安裝時(shí)需要配套使用樹(shù)脂型錨固劑，數(shù)量為1 根，還需要配套使用一些零部件，主要包括墊圈、球墊和高強(qiáng)螺母。其中使用的拱形托盤(pán)必須具有很高的強(qiáng)度，托盤(pán)的規(guī)格尺寸為120 mm×120 mm×8 mm。為進(jìn)一步提升錨桿的整體性，通過(guò)鋼筋梯梁將相鄰兩排錨桿進(jìn)行連接，使用的梯梁長(zhǎng)度和寬度分別為4.7 m 和80 mm，鋼梁與錨桿之間進(jìn)行焊接連接。頂板表面還需要鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)由10 號(hào)鐵絲焊接制作而成，菱形邊長(zhǎng)為50 mm。金屬網(wǎng)的規(guī)格尺寸為5.3 m×1.1 m，安裝金屬網(wǎng)時(shí)要求搭接寬度超過(guò)100 mm，利用鐵絲進(jìn)行牢固捆扎，使之形成整體。所有錨桿在安裝時(shí)都與頂板表面保持垂直，安裝誤差不得超過(guò)5°。完成安裝工作后需要實(shí)施二次預(yù)緊，要求預(yù)緊力矩超過(guò)300 N·m，以此保障錨固效果。

頂板中使用的錨索屬于高強(qiáng)鋼鉸線，其直徑和長(zhǎng)度分別為18.9 mm 和5.3 m，相鄰兩根錨索之間的距離設(shè)置為2 m，相鄰兩排錨索之間的距離同樣設(shè)置為2 m。根據(jù)以上尺寸，每排需要設(shè)置2 根錨索。錨桿和錨索之間采用的是“2-0-2”的布置方式，即每間隔2 排錨桿設(shè)置1 排錨索。錨索安裝時(shí)需要使用2 支樹(shù)脂型錨固劑，還需要使用配套的拱形托盤(pán)，規(guī)格尺寸為300 mm×300 mm×15 mm，要求具備較高的強(qiáng)度。錨索同樣與頂板平面保持垂直安裝，角度誤差不超過(guò)5°，安裝剛完成時(shí)要求錨索的初始張力超過(guò)250 kN。

2.2 幫部支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

幫部只需要利用錨桿進(jìn)行錨固即可，使用的錨桿型號(hào)和規(guī)格尺寸全部與頂板中使用的錨桿相同。相鄰兩根錨桿之間的距離為0.9 m，相鄰兩排錨桿之間的距離為1 m。其中最高處錨桿與頂板的距離為0.2 m，最低位置錨桿與底板的距離為0.4 m，每排設(shè)置有4 根錨桿。幫部位置錨桿安裝時(shí)全部與幫部平面保持垂直，安裝誤差控制在5°以內(nèi)。

3 巷道掘進(jìn)支護(hù)工藝實(shí)踐應(yīng)用效果分析

為了對(duì)本文設(shè)計(jì)的煤礦煤層巷道掘進(jìn)支護(hù)工藝方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，將該方案應(yīng)用到巷道掘進(jìn)工業(yè)實(shí)踐中。在與開(kāi)口部位距離不等的兩處位置設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)站，對(duì)巷道表面的位移變形情況以及巷道頂板附近圍巖的破碎情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖1 所示為監(jiān)測(cè)站的布置情況示意圖。

3.1 運(yùn)輸巷道表面位移變形情況

如圖1 所示，本研究中總共對(duì)兩個(gè)監(jiān)測(cè)站的巷道表面位移變化情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，兩個(gè)監(jiān)測(cè)站與開(kāi)口部位的距離分別為1 200 m 和1 800 m?；凇笆纸徊娣ā睂?duì)巷道表面位移變形情況進(jìn)行測(cè)量，在巷道的四個(gè)表面的中點(diǎn)分別取點(diǎn)A、B、C、D，AD 和BC相連交于點(diǎn)O，利用測(cè)量工具測(cè)量AO、BO、CO、DO四個(gè)數(shù)值，即可計(jì)算得到兩幫和頂?shù)装宓奈灰谱冃吻闆r。在剛開(kāi)始的一個(gè)月時(shí)間內(nèi)每間隔一個(gè)星期開(kāi)展一次測(cè)量，一個(gè)月以后圍巖變形基本保持穩(wěn)定，只需要每間隔一個(gè)月開(kāi)展一次測(cè)量。如圖2 所示為兩個(gè)監(jiān)測(cè)站頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰谱冃吻闆r隨時(shí)間的演變曲線。

圖1 運(yùn)輸巷道監(jiān)測(cè)站分布圖

圖2 巷道表面位移變形情況隨時(shí)間的演變曲線

從圖2 中數(shù)據(jù)可以看出，在剛開(kāi)始階段不管是頂?shù)装暹€是兩幫位置的位移變形速率相對(duì)較大，巷道表面出現(xiàn)了快速的位移變形。隨著時(shí)間的推移，巷道圍巖逐漸變得穩(wěn)定，此時(shí)巷道表面的位移變形速率逐漸減緩。持續(xù)監(jiān)測(cè)到28 d 和60 d 時(shí)第2 個(gè)監(jiān)測(cè)站和第1 個(gè)監(jiān)測(cè)站的頂?shù)装逦灰谱冃瘟恳来芜_(dá)到最大值，然后保持不變。穩(wěn)定狀態(tài)下兩個(gè)監(jiān)測(cè)站頂?shù)装宓淖畲笪灰谱冃瘟糠謩e為62 mm 和73 mm。兩幫位置的位移變形演變規(guī)律與頂?shù)装逦换鞠嗤瑒傞_(kāi)始階段呈現(xiàn)出較大的變形趨勢(shì)，而后變形速率逐漸降低，最后保持穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)下兩個(gè)監(jiān)測(cè)站的兩幫變形量最大值分別為50 mm 和85 mm 左右。

基于以上數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)技術(shù)工藝方案在維系巷道圍巖穩(wěn)定方面發(fā)揮了非常重要的作用。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間過(guò)渡后，巷道圍巖保持穩(wěn)定，且圍巖表面最大位移變形量控制在了可接受范圍內(nèi)，保障了巷道掘進(jìn)過(guò)程的安全。

3.2 巷道頂板鉆孔窺視及結(jié)果

為分析運(yùn)輸巷道頂板不同距離位置圍巖的變化情況，在監(jiān)測(cè)站1 附近頂板位置進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑為30 mm，鉆孔深度為5 m。利用專(zhuān)業(yè)的鉆孔窺視儀可以對(duì)孔壁的具體情況進(jìn)行觀察?？梢圆榭纯妆谑欠翊嬖陔x層、破裂等問(wèn)題，進(jìn)而驗(yàn)證巷道支護(hù)技術(shù)工藝方案的有效性。結(jié)果表明：與巷道頂板距離在0.1～0.2 m 范圍內(nèi)，圍巖出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的破碎現(xiàn)象，主要是因?yàn)榫嚯x頂板太近，圍巖表面在變形過(guò)程中將附近的巖石擠碎。與頂板距離在0.2～3.5 m 范圍內(nèi)的圍巖，整體上比較完整，只有部分區(qū)域出現(xiàn)了破碎的現(xiàn)象。與頂板距離在3.5～5 m 范圍內(nèi)的圍巖，基本上未發(fā)現(xiàn)有破碎的問(wèn)題，整體上非常完整。由巷道頂板鉆孔窺視結(jié)果可以看出，除與巷道頂板距離較近的部分出現(xiàn)破碎問(wèn)題外，其他位置的巷道圍巖整體上比較完整，沒(méi)有發(fā)生明顯的破碎。表明在巷道支護(hù)的作用下圍巖穩(wěn)定性有了顯著提升。

4 結(jié)論

巷道掘進(jìn)是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的重要施工環(huán)節(jié)，但巷道掘進(jìn)過(guò)程會(huì)對(duì)附近圍巖原本平衡的結(jié)構(gòu)造成破壞。為確保掘進(jìn)過(guò)程安全，通常需要采取支護(hù)的方式對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。本文研究表明，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道圍巖表面的位移變形情況被控制在了安全范圍以內(nèi)，且巷道頂板圍巖除與頂板相對(duì)較近的區(qū)域出現(xiàn)了破碎外，其余區(qū)域圍巖基本保持完整，有效保障了巷道掘進(jìn)過(guò)程的安全。