趙紅濤，張紅軍，侯華營(yíng)，張道文，徐建雅

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車(chē)集煤礦，河南 永城 476600)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開(kāi)資源作為支撐，而煤炭是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)體系中非常重要的構(gòu)成部分，為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速度、高質(zhì)量發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)[1]。隨著煤礦資源使用量不斷增加，當(dāng)前我國(guó)的煤礦開(kāi)采效率在日益提升[2]。對(duì)于深度較淺、容易開(kāi)采的煤層，目前幾乎已經(jīng)開(kāi)采完畢，煤礦領(lǐng)域正朝著縱深方向發(fā)展，當(dāng)前煤層最大深度達(dá)到了900 m以上[3]。煤礦開(kāi)采深度越深，煤礦巷道面臨的壓力越大，巷道圍巖的變形量越嚴(yán)重，對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[4]。巷道支護(hù)是確保煤礦開(kāi)采安全的重要措施和手段，在高應(yīng)力煤層中進(jìn)行開(kāi)采時(shí)對(duì)巷道支護(hù)工藝方案提出了更高的要求[5]。為了在保障煤層開(kāi)采安全的前提下提升開(kāi)采效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤層巷道掘錨護(hù)一體化快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的研究成果[6]。本文主要以某高應(yīng)力煤層巷道的掘進(jìn)支護(hù)過(guò)程為例，對(duì)快速掘進(jìn)支護(hù)工藝方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到煤礦開(kāi)采工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)取得了良好的效果，對(duì)于保障煤礦開(kāi)采安全、提升快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)具有一定的實(shí)踐意義。

1 煤層巷道基本情況介紹

某煤層所處區(qū)域的地面標(biāo)高在+31.4～+33.7 m，巷道底板對(duì)應(yīng)的標(biāo)高在-801.4～-807.6 m，煤層的平均埋藏深度在830 m?？梢钥闯雒簩勇裆畲?，巷道內(nèi)部承受的應(yīng)力大，導(dǎo)致巷道圍巖特別容易產(chǎn)生變形，給煤礦開(kāi)采帶來(lái)了一定難度。所述煤層的厚度在2.63～4.52 m，平均厚度3.30 m，煤層傾角在4°～10°，平均傾角6°。對(duì)煤層進(jìn)行地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)，煤層堅(jiān)固性系數(shù)在0.9～1.0，并且層理和節(jié)理出現(xiàn)了不同程度的發(fā)育。煤層直接頂平均厚度為6 m，主要由細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖等構(gòu)成；基本頂平均厚度為14.62 m，主要由中粒砂巖和泥巖構(gòu)成?？梢?jiàn)，煤層頂部的圍巖屬性基本比較穩(wěn)定，但是在深度較大、應(yīng)力較高的情況下，仍然面臨比較大的風(fēng)險(xiǎn)?；谌S地震勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在煤層巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)存在3條斷層，且其中1條斷層落差在0～8 m，會(huì)對(duì)煤礦采掘過(guò)程造成不良影響，需引起關(guān)注。

2 巷道斷面形狀及尺寸的確定

對(duì)于埋藏深度較深的煤層，巷道的截面形狀及其規(guī)格尺寸都會(huì)對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響[7]。因此必須結(jié)合巷道圍巖的基本屬性，對(duì)其截面形狀及尺寸進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的確定。

2.1 巷道斷面形狀設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)我國(guó)當(dāng)前階段使用比較廣泛的煤礦巷道截面形狀進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)比較常見(jiàn)的截面形狀主要有2種，分別為拱形和矩形，其中拱形上部分為半圓形，下部分為矩形[8]。為了分析以上2種截面形狀在本煤層巷道中的實(shí)用性，利用FLAC3D軟件建立了煤層巷道圍巖的數(shù)值仿真模型，模型長(zhǎng)50 m、寬20 m、高50 m，其中巷道的截面形狀及尺寸如圖1所示。對(duì)巷道圍巖物理屬性進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置，是確保獲得精確結(jié)果的基礎(chǔ)。利用地質(zhì)勘探方法測(cè)量得到了煤層圍巖基本屬性，結(jié)果見(jiàn)表1，將表1中所列物理參數(shù)輸入到仿真模型中。

利用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算后，可以提取巷道圍

圖1 矩形和拱形巷道的截面形狀及尺寸Fig.1 Sectional shape and size of rectangular and arched roadways

表1 煤層附近區(qū)域不同圍巖的基本物理屬性Tab.1 Basic physical properties of different surrounding rocks near coal seams

巖的應(yīng)力分布特點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種截面形狀巷道中圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在巷道的頂部區(qū)域，拱形和矩形截面的最大值分別為31.0、32.9 MPa?？梢?jiàn)2種截面形狀圍巖應(yīng)力相差不大。但是拱形截面的面積相對(duì)較小，利用率相對(duì)較低，這是拱形截面最大的缺陷。綜合考慮以上因素，最終將巷道截面確定為矩形。

2.2 巷道尺寸的確定

(1)巷道凈寬度的確定。本煤層擬采用掘錨護(hù)一體化掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行煤礦開(kāi)采。由于使用的掘錨護(hù)一體機(jī)寬度相對(duì)其他設(shè)備要寬，還需要預(yù)留一定寬度給工作人員行走以確保安全。使用的掘錨護(hù)一體機(jī)型號(hào)為EBZ160MH，該型號(hào)設(shè)備的寬度為3.2 m，兩側(cè)分別預(yù)留0.6 m寬度，確保安全。所以巷道的寬度不得低于4.4 m。最后，考慮到巷道還需要進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，所以將巷道寬度確定為4.8 m。

(2)巷道凈高度的確定。EBZ160MH設(shè)備的凈高度為1.6 m，截割部高度達(dá)到了2.5 m，加上一定的安全空間，巷道的高度不得低于3 m。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，煤礦巷道的寬度與高度比值為1.5時(shí)穩(wěn)定性最好，所以將煤礦巷道高度確定為3.2 m。

3 巷道支護(hù)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 支護(hù)方案的初步設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)的煤層巷道支護(hù)方案的斷面如圖2所示。以下對(duì)頂板和兩幫部位的支護(hù)工藝參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖2 煤層巷道支護(hù)方案的斷面Fig.2 Cross section of coal seam roadway supporting scheme

(1)頂板支護(hù)工藝?；阱^網(wǎng)帶方式進(jìn)行支護(hù)，選用的錨桿為左旋螺紋鋼錨桿，直徑22 mm、長(zhǎng)2.5 m。錨桿間排距為0.75 m×0.70 m，頂部每排共設(shè)置7根錨桿，兩側(cè)靠近幫部的2根錨桿與豎直方向呈15°角向外布置，中間的5根錨桿與頂板垂直布置。每根錨桿使用2支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，型號(hào)分別為MSZ2335和MSK2335，錨固力大小設(shè)置為120 kN。還需要配套使用M型托盤(pán)、M型鋼帶和鋼筋網(wǎng)，其中托盤(pán)的規(guī)格尺寸為150 mm×100 mm×12 mm，M型鋼帶的長(zhǎng)度為4.8 m，鋼筋網(wǎng)為直徑6 mm的鋼筋焊接而成，規(guī)格尺寸為2 m×1 m，鋼筋網(wǎng)搭接長(zhǎng)度設(shè)置為0.1 m，且需要使用12號(hào)鐵絲牢固捆扎。基于29U型鋼錨索梁對(duì)巷道頂部進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，錨索的直徑和長(zhǎng)度分別為21.6 mm和8.2 m，錨索的間距和排距大小分別為1.2 m和1.4 m，所有錨索均與頂板垂直布置。每根錨索使用4支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，型號(hào)與錨桿使用型號(hào)相同，設(shè)計(jì)的預(yù)緊力大小為210 kN。頂部每排4根錨索穿過(guò)同一根鋼梁進(jìn)行布置，需要配合使用墊片進(jìn)行安裝(墊片規(guī)格為200 mm×90 mm×12 mm)。

(2)幫部支護(hù)工藝。幫部位置同樣基于錨網(wǎng)帶模式進(jìn)行支護(hù)，選用的錨桿為高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑22 mm、長(zhǎng)2.5 m，間排距均為0.7 m，每側(cè)幫部設(shè)置5根錨桿，其中靠近頂部的錨桿與水平方向呈15°角向上布置，其余錨桿與幫部垂直布置。每根錨桿使用2支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，型號(hào)分別為MSZ2335和MSK2335，錨固力大小設(shè)置為100 kN。配套使用的M型托盤(pán)、M型鋼帶和鋼筋網(wǎng)型號(hào)和使用方法與頂板相同。

每側(cè)幫部位置分別設(shè)置2根錨索進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，其中錨索直徑21.6 mm、長(zhǎng)4.6 m。2根錨索與頂板之間的距離分別為1.2 m和2.2 m，全部與幫部垂直布置。每根錨索使用2支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，型號(hào)分別為MSZ2335和MSK2335，預(yù)緊力大小設(shè)置為150 kN。其他配件的使用型號(hào)、方法與頂板相同。

3.2 支護(hù)方案關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

上節(jié)所述的快速掘進(jìn)支護(hù)工藝方案是基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，關(guān)鍵參數(shù)的合理性有待商榷。有必要利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法對(duì)關(guān)鍵支護(hù)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保數(shù)值最為合理。本研究利用FLAC3D軟件建立煤礦巷道支護(hù)技術(shù)方案的數(shù)值模型，分析錨桿長(zhǎng)度、錨桿直徑、錨桿間距和錨桿排距4個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)巷道支護(hù)效果的影響，以巷道圍巖的位移變形量為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定最優(yōu)的參數(shù)。錨桿支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)及其計(jì)算數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 錨桿支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)及其計(jì)算數(shù)值Tab.2 Key parameters and calculated values of bolt supporting

(1)錨桿長(zhǎng)度。在其他支護(hù)工藝參數(shù)保持不變的情況下，將錨桿長(zhǎng)度分別設(shè)置為2.3、2.4、2.5、2.6 m，利用軟件建立仿真模型并進(jìn)行計(jì)算，提取計(jì)算結(jié)果分析錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖位移變形量的影響，結(jié)果如圖3所示。圖3中所示數(shù)據(jù)為穩(wěn)定狀態(tài)下圍巖變形量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖3可知，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，巷道頂板和底板變形量、兩幫相對(duì)變形量均逐漸遞減，但是減小的幅度比較小，尤其是長(zhǎng)度超過(guò)2.5 m后，變形量幾乎可以忽略不記。一般而言，錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)意味著有效錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，錨固效果越好，但是錨桿越長(zhǎng)成本越高?；谝陨辖Y(jié)果可知，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度超過(guò)2.5 m后，錨固效果增長(zhǎng)不明顯。所以從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，可以將錨桿長(zhǎng)度確定為2.5 m。

圖3 錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖變形量的影響規(guī)律Fig.3 Influence of bolt length on the deformation of roadway surrounding rock

(2)錨桿直徑。在其他支護(hù)工藝參數(shù)保持不變的情況下，將錨桿直徑分別設(shè)置為20、22、24、26 mm，利用軟件建立仿真模型并進(jìn)行計(jì)算，提取計(jì)算結(jié)果分析錨桿直徑對(duì)巷道圍巖位移變形量的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，隨著錨桿直徑的不斷增加，巷道頂板、底板和兩幫部位的位移變形量均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但是減小幅度相對(duì)較小。特別是當(dāng)錨桿直徑超過(guò)22 mm后，巷道圍巖的變形基本保持不變。所以從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，可以將錨桿直徑確定為22 mm。

圖4 錨桿直徑對(duì)巷道圍巖變形量的影響規(guī)律Fig.4 Influence of bolt diameter on the deformation of roadway surrounding rock

(3)錨桿間距。在其他支護(hù)工藝參數(shù)保持不變的情況下，將錨桿間距分別設(shè)置為0.6、0.7、0.8、0.9 m，利用軟件建立仿真模型并進(jìn)行計(jì)算，提取計(jì)算結(jié)果分析錨桿間距對(duì)巷道圍巖位移變形量的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著錨桿間距的不斷增加，巷道圍巖的變形量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。但當(dāng)間距由0.6 m增加到0.7 m時(shí)，巷道圍巖的變形量增長(zhǎng)趨勢(shì)不是特別明顯，而當(dāng)錨桿間距超過(guò)0.7 m以后，圍巖變形趨勢(shì)相對(duì)比較明顯，尤其是頂板和兩幫部位的位移變形情況比較嚴(yán)重。所以可以將錨桿間距設(shè)置為0.7 m。

圖5 錨桿間距對(duì)巷道圍巖變形量的影響規(guī)律Fig.5 Influence law of bolt spacing on roadway surrounding rock deformation

(4)錨桿排距。在其他支護(hù)工藝參數(shù)保持不變的情況下，將錨桿直徑分別設(shè)置為0.6、0.7、0.8、0.9 m，利用FLAC3D軟件建立仿真模型并提取計(jì)算結(jié)果，錨桿排距大小對(duì)巷道圍巖變形的影響規(guī)律如圖6所示。由圖6中數(shù)據(jù)可以看出，錨桿排距對(duì)巷道圍巖變形量的影響規(guī)律與錨桿間距基本類(lèi)似，即隨著錨桿排距的不斷增加，巷道圍巖的變形量不斷增加。但是錨桿排距在0.6～0.7 m時(shí)，排距對(duì)巷道圍巖的變形量影響較小，當(dāng)錨桿排距超過(guò)0.7 m后，對(duì)巷道圍巖變形的影響比較明顯?；诖耍梢詫㈠^桿排距設(shè)置為0.7 m。

圖6 錨桿排距對(duì)巷道圍巖變形量的影響規(guī)律Fig.6 Influence law of bolt row spacing on roadway surrounding rock deformation

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將設(shè)計(jì)并優(yōu)化后的快速掘進(jìn)支護(hù)工藝方案應(yīng)用到煤礦開(kāi)采工程實(shí)踐中，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了實(shí)踐測(cè)試。主要是對(duì)巷道圍巖表面的位移變形情況、錨桿的受力情況以及圍巖離層量等進(jìn)行測(cè)試。

4.1 巷道圍巖變形量

通過(guò)十字布點(diǎn)方法對(duì)巷道圍巖表面的位移變形情況進(jìn)行測(cè)量[9]。確定好測(cè)量斷面后，在頂部中間位置和幫部中間位置分別鉆取直徑和深度分別為28 mm和400 mm的鉆孔，然后將直徑和長(zhǎng)度分別為30 mm和400 mm的木樁打入孔中，在木樁端部設(shè)置平頭測(cè)釘。在掘進(jìn)完成后的1周時(shí)間內(nèi)，每天對(duì)頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰谱冃瘟繙y(cè)量1次，1周以后每周開(kāi)展1～2次測(cè)量工作。巷道圍巖變形隨時(shí)間的演變情況如圖7所示。

圖7 巷道圍巖變形量隨時(shí)間的演變情況Fig.7 Evolution condition of the surrounding rock deformation of the roadway over time

由圖7可知，在完成掘進(jìn)工作后巷道圍巖剛開(kāi)始階段發(fā)生了快速的變形。在第17天左右巷道的變形基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)基本不再發(fā)生明顯的變形。在穩(wěn)定狀態(tài)下，巷道頂板下沉量最小，為29.3 mm，兩幫移近量次之，為81.4 mm，底鼓量最大，為113.6 mm。

4.2 頂板離層量

本研究中利用LBY-3型離層指示儀對(duì)巷道頂板離層量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，共設(shè)置了3個(gè)測(cè)量位置，相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離控制在50 m左右。利用儀器設(shè)備對(duì)3個(gè)位置頂板的離層量進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，1號(hào)和2號(hào)測(cè)量點(diǎn)頂板的離層量在前10 d出現(xiàn)了快速增加的趨勢(shì)，10 d以后基本保持穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)下1號(hào)和2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板的離層量分別為6 mm和5 mm左右。3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在20 d以前頂板離層量保持持續(xù)增加的趨勢(shì)，20 d以后才保持穩(wěn)定狀態(tài)，最大頂板離層量為10 mm左右。

4.3 錨桿和錨索的受力情況

利用專(zhuān)業(yè)的錨桿和錨索測(cè)力計(jì)[10]，對(duì)巷道支護(hù)中使用的錨桿和錨索受力情況進(jìn)行持續(xù)3個(gè)月的測(cè)量，結(jié)果如圖9所示。

圖8 巷道頂板離層量隨時(shí)間的演變過(guò)程Fig.8 Evolution process of the separation amount of the roadway roof over time

圖9 巷道支護(hù)錨桿和錨索受力情況 隨時(shí)間的演變曲線(xiàn)Fig.9 Evolution curve of stress situation of roadway supporting bolts and anchor cables over time

由圖9可知，巷道掘進(jìn)后，隨著時(shí)間的推移，巷道支護(hù)中的錨桿和錨索受力不斷增加，但到后期錨桿和錨索受力不再發(fā)生明顯變化，而是保持一種穩(wěn)定狀態(tài)。主要是因?yàn)橥瓿上锏谰蜻M(jìn)工作以后，巷道圍巖原本的受力平衡狀態(tài)被打破，圍巖有產(chǎn)生變形的趨勢(shì)，而支護(hù)的作用就是防止圍巖產(chǎn)生變形。在錨桿和錨索的參與下，巷道圍巖達(dá)到新的受力平衡狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要以某煤層巷道為研究對(duì)象，對(duì)巷道掘錨護(hù)一體化快速掘進(jìn)支護(hù)工藝方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)并優(yōu)化，最后將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中。

(1)通過(guò)對(duì)拱形和矩形截面巷道的圍巖變形情況進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)合實(shí)際情況，最終選擇錨掘護(hù)一體化快速掘進(jìn)巷道的截面為矩形，其寬度為4.8 m，高度為3.2 m。

(2)在對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D仿真軟件對(duì)巷道圍巖的變形情況進(jìn)行分析，對(duì)關(guān)鍵的支護(hù)工藝方參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終確定的錨桿直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2.5 m，間排距均為0.7 m。

(3)將優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，對(duì)巷道圍巖的變形情況、頂板離層量以及錨桿錨索受力情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的效果，能夠滿(mǎn)足煤礦安全的需要。