崔亮亮

（山西霍寶干河煤礦有限公司， 山西 洪洞 031400）

引言

煤炭作為推動我國經(jīng)濟飛速發(fā)展的主要能源之一，近年來的需求量越來越大，煤炭采掘工作量也在逐年增加。與此同時煤礦采掘過程中的瓦斯爆炸、巷道圍巖變形、透水等事故時有發(fā)生，嚴重制約了煤炭開采的效率，尤其是巷道圍巖變形，現(xiàn)已引起了煤炭企業(yè)的廣泛關注[1-3]。巷道支護作為控制圍巖變形的重要措施，其設計工作不僅涉及工程力學、巖土力學等理論知識，還要考慮巷道周圍的實際地質條件，必須做到理論與實際的有效結合[4-5]。錨桿支護作為一種有效的主動巷道支護方式，已在強化巷道圍巖和提高圍巖穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出了較好的應用效果，并且具有支護成本低、巷道斷面利用率高、維護簡單等優(yōu)點[6]。因此針對某煤礦現(xiàn)有支護過程中存在的問題，開展支護方式的改進設計工作，對于提高企業(yè)采煤的安全性和效益具有重要的意義。

1 巷道概況及存在的問題

煤礦工作面處于丘陵地帶，煤層呈現(xiàn)單斜結構，傾角較小，地質條件簡單，屬于低瓦斯礦井范疇。工作面煤層的賦存條件較為穩(wěn)定，煤層厚度分布于2.5～5.5 m 之間，平均的煤層厚度為4.5 m，煤層的普氏系數(shù)為0.7～1.6，煤的密度為1.4 t/m3。煤層頂部不涉及偽頂，直接頂?shù)牡刭|組成主要是泥巖和砂質泥巖，厚度為1.1～13.5 m，平均厚度為7.5 m，普氏系數(shù)為2～4；直接頂之上主要是細砂巖，平均厚度為1.1 m，普氏系數(shù)為1～3；再往上是厚度為2.7～28 m 的黏土層，平均厚度為17.16 m，普氏系數(shù)為3～6；巷道直接底的地質組成為砂質泥巖和細砂巖，再往下主要為砂巖。

隨著煤炭采掘深度的深入，煤層平均埋深已至475 m 左右，給巷道支護提出了更高的要求，煤炭掘進過程中出現(xiàn)了冒頂、片幫等問題，嚴重威脅著工作面的安全，制約了企業(yè)經(jīng)濟效益的進一步提升。

2 巷道問題分析與改進策略

隨著巷道采掘深度的加深，冒頂、片幫等問題時有發(fā)生。究其原因如下：第一是地質條件較為復雜，巷道周圍地應力高、煤體的強度低、煤層的強度差異較大；第二是頂板層理發(fā)育，工作面直接頂為泥巖或沙質泥巖，一旦出現(xiàn)微裂紋就會迅速擴展，嚴重的位置將會出現(xiàn)石塊脫落，失去承載能力，進一步發(fā)展就出現(xiàn)了冒頂問題；第三是支護預緊力不足，煤炭掘進過程中頂板應力會傳遞至巷道的兩幫，在側壓系數(shù)不變時，將會增加兩幫上的水平應力，峰值一般出現(xiàn)在巷幫位置。當巷幫不能承受膨脹壓力時，就會出現(xiàn)整體外移，出現(xiàn)片幫問題；第四是支護方式不合理，巷道支護采用的是金屬可縮性梯形支架支護，應用過程中極易出現(xiàn)支架腿變形，導致巷道圍巖的整體破裂脫落，支護方式不能滿足巷道支護的要求。

綜上所述，支護方式落后是導致巷道出現(xiàn)冒頂和片幫等問題的根本原因，基于此擬引進較為先進的錨桿支護技術，以提高煤礦工作面巷道支護的安全性。

3 回采巷道錨桿支護改進

3.1 巷道斷面及支護形式確定

回采巷道作為煤炭采掘生產(chǎn)運行的動脈，巷道斷面設計是否合理與采煤掘進過程中的安全生產(chǎn)和采煤效率息息相關，必須引起高度重視。通常巷道斷面設計需要堅持如下原則：在確保巷道安全、施工可行的前提下，最大限度地發(fā)揮巷道斷面利用率，以達到經(jīng)濟實用效果。巷道斷面的設計內容和過程如下：首先根據(jù)煤炭采掘工作面實際情況確定巷道斷面的形狀和凈斷面尺寸，開展風速驗算工作；其次以支架參數(shù)和巷道斷面參數(shù)為依據(jù)，計算確定巷道的煤炭掘進斷面尺寸，要求充分考慮巷道允許的超挖值；最后為巷道的正常運行鋪設水溝和管纜，形成巷道斷面的工程圖紙、巷道特征表、每米巷道施工的工程量和材料消耗量等。參照上述巷道斷面設計原則與步驟完成了巷道斷面的設計工作，如圖1 所示，斷面形狀為直墻半圓拱形巷道斷面，配套的支護形式為螺紋鋼樹脂錨桿支護。

圖1 支護形式

3.2 錨桿支護參數(shù)的確定

結合煤礦工作面的實際情況，完成了錨桿支護技術參數(shù)的設計，整體布置方案如圖2 所示。

圖2 巷道支護的斷面和參數(shù)（單位：mm）

巷道錨桿支護時錨桿桿體使用的是直徑尺寸為Φ18 mm 的螺紋圓鋼，長度尺寸為1 800 mm，錨桿之間的距離為900 mm，不同錨桿排之間的距離如圖2所示，錨桿的最大錨固力為140 kN，全錨桿錨固。采用10 號鐵絲縱橫交錯編織而成的金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔形狀為菱形，規(guī)格為100 mm×100 mm，頂板位置使用的金屬網(wǎng)規(guī)格為4 200 mm×3 000 mm，側幫位置使用的金屬網(wǎng)規(guī)格為2 600 mm×3 000 mm，不同網(wǎng)片之間采用搭接焊接，要求搭接長度不少于100 mm。因W 形狀的鋼帶制備較為困難，錨桿孔距的要求嚴苛，需要消耗大量的鋼材，成本較高，此處選擇較為常見的鋼筋作為鋼筋梁，直徑為Φ18 mm，具體結構如圖3 所示。

圖3 鋼筋梁結構圖

配套的鋼筋托梁的參數(shù)如下：鋼筋直徑為Φ18 mm，托梁寬度為80 mm，加強筋間距為80 mm，長度為3 200 mm。兩幫及其與頂板垂直連接的地方使用BHT-A 型托板，如圖4 所示，規(guī)格為Φ128 mm×30 mm，最大承載力為150 kN。巷道拱頂位置的傾斜錨桿使用BHT-B 型托板，如圖5 所示，包括托板和托板座兩部分組成。

圖4 BHT-A 型托板

圖5 BHT-B 型托板（單位：mm）

3.3 施工工藝

巷道施工和支護工藝是保證支護質量的基礎，由此可見，規(guī)范的支護工藝流程至關重要。要求巷道掘進時優(yōu)先使用光面爆破技術，實現(xiàn)全斷面一次成形，嚴格控制炸藥用量和炮眼技術參數(shù)，降低出現(xiàn)超挖或者欠挖的情況。巷道掘進步長要求不大于3 000 mm，保證一次爆破成形，減少巷道二次拉底巖石時撞擊頂板錨桿和金屬網(wǎng)。巷道開挖之后先完成50 mm 混凝土的噴射，掛規(guī)格型號為100 mm×100 mm的鋼筋網(wǎng)，在滯后巷道掘進頭3 000 mm 的位置打錨桿安裝孔，孔徑尺寸Φ=42 mm，鉆孔的深度尺寸為2 000～2 200 mm，按照設計布置圖進行施工。將鋼筋梁放入鉆好的孔內，填充樹脂藥卷，之后將錨桿插入孔內完成錨桿的一次安裝，緊固螺母要求在8 h 內緊固完成。

4 支護效果評價

為了驗證錨桿支護技術在煤礦巷道支護過程中的應用效果，對投入使用的巷道錨桿支護段進行了跟蹤記錄，相較于原金屬可縮性梯形支架支護方式，錨桿支護能夠形成“圍巖—支護結構”，不僅能夠充分發(fā)揮圍巖的承載能力，還能夠調動支護結構的抗力。錨桿支護技術的引入，大大改善了巷道內部的工作環(huán)境，降低了采礦工人的勞動強度，為企業(yè)節(jié)約了近20%的支護成本，提高了近10%的巷道斷面利用率。巷道掘進過程中受采動影響時，圍巖變形量降低近15%，降低了冒頂、片幫等事故的出現(xiàn)概率，減少了因故停產(chǎn)停工的時間，預計能夠為企業(yè)帶來直接經(jīng)濟效益近300 萬元/年，取得了很好的應用效果。