馮開輝

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

巷道掘進(jìn)過程中面臨揭露斷層、陷落柱、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，在構(gòu)造作用下煤巖體賦存條件復(fù)雜，從而給巷道圍巖支護(hù)帶來較大制約[1-3]。復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖控制是制約礦井煤炭高效回采的一個(gè)重要方面，為此眾多學(xué)者及技術(shù)人員提出采用“錨桿+架棚”“預(yù)注漿+W 鋼帶+錨網(wǎng)索+工字鋼”等方式對圍巖進(jìn)行控制，并在現(xiàn)場取得較好圍巖控制效果[4-6]。受到不同礦井巷道掘進(jìn)條件差異影響，具體支護(hù)方案應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件確定[7-8]。為此，以山西某礦20503 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中復(fù)雜地質(zhì)區(qū)為工程研究背景，針對巷道原支護(hù)存在圍巖變形量過大問題，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行針對性優(yōu)化分析。

1 20503 工作面概況

山西某礦20503 工作面開采5 號煤層，厚度為6.2 m，采用綜放開采工藝，采放比為1∶1。5 號煤層賦存相對穩(wěn)定，為礦井主采煤層，頂?shù)装鍨樯皫r、泥巖以及砂質(zhì)泥巖。20503 工作面東為20501 采空區(qū)、西為實(shí)體煤、南側(cè)為DF101 斷層保護(hù)煤柱、北側(cè)為采區(qū)集中巷道，采面布置有3 條回采巷道，其中運(yùn)輸位于采面最東側(cè)，與20501 采空區(qū)間留設(shè)有30 m 保護(hù)煤柱。

20503 運(yùn)輸巷為矩形巷道（寬4.5 m、高3.1 m），采用綜掘方式沿煤層底板掘進(jìn)，采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)方式，具體支護(hù)斷面見圖1 所示。20503 運(yùn)輸巷掘進(jìn)至560 m 時(shí)，受到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜影響，巷道圍巖承載能力降低、穩(wěn)定性變差以及裂隙發(fā)育，從而導(dǎo)致巷道圍巖變形量增加、頂板出現(xiàn)不同程度冒落問題，給巷道掘進(jìn)以及后續(xù)使用安全帶來較大威脅。因此，需要針對巷道掘進(jìn)現(xiàn)場地質(zhì)條件變化對巷道圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 巷道原支護(hù)斷面（單位:mm）

2 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

2.1 基本原則

在對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)時(shí)，在充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力基礎(chǔ)上，對巷道圍巖進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)可提高圍巖支護(hù)效果。在20503 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過復(fù)雜地質(zhì)帶時(shí)，巷道支護(hù)應(yīng)遵循下述原則：

巷道圍巖采用錨桿支護(hù)時(shí)應(yīng)遵循一次支護(hù)到位，盡量避免后續(xù)二次支護(hù)給圍巖造成擾動，導(dǎo)致圍巖內(nèi)產(chǎn)生新的裂隙；錨桿索支護(hù)完成后應(yīng)施加較大的預(yù)緊力，從而給圍巖較大的壓應(yīng)力，提高錨桿索應(yīng)用效果；在支護(hù)時(shí)應(yīng)選用的錨桿索應(yīng)具備足夠的剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，同時(shí)桿體剛度以及強(qiáng)度應(yīng)相匹配，支護(hù)時(shí)建議適當(dāng)增加錨桿索支護(hù)強(qiáng)度以及剛度并適當(dāng)降低錨桿索支護(hù)密度，錨桿支護(hù)時(shí)使用的托盤、鎖具等應(yīng)與現(xiàn)場支護(hù)材料相匹配；應(yīng)確保支護(hù)使用的錨桿便于井下操作。

2.2 主要支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

20503 運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域時(shí)面臨頂板冒落、圍巖變形較大等問題，為避免巷道后續(xù)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)冒頂事故，結(jié)合現(xiàn)場條件提出采用“超前鋼管+預(yù)應(yīng)力長短錨索”對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)。

支護(hù)時(shí)采用的超前鋼管規(guī)格為Φ40mm×2000mm，在迎頭布置的超前鋼管間距為200 mm，按照30°仰角布置，具體布置見圖2 所示。巷道掘進(jìn)過地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域時(shí)，掘進(jìn)時(shí)循環(huán)進(jìn)尺控制在800 mm 以內(nèi)，最大、最小空頂距分別為200 mm、1 000 mm。綜掘機(jī)破煤時(shí)采用復(fù)式截割方式，單刀截割深度控制在400 mm 左右。

圖2 超前鋼管布置剖面圖

待運(yùn)輸巷在超前鋼管支護(hù)下掘進(jìn)后，立刻采用以錨網(wǎng)索為核心聯(lián)合支護(hù)方式對圍巖進(jìn)行控制，頂板圍巖支護(hù)采用長、短錨索協(xié)同方式，采用的錨索桿體直徑均為17.8 mm，短錨索長6 300 mm、長錨索長1 800 mm，頂板每排施工6 個(gè)錨索，其中短錨索4根、長錨索2 根；錨索用3 支MSK2360 錨固劑錨固，有效錨固長度控制在1 800 mm 以上，錨索施工完成后確保錨固力、預(yù)緊力均滿足設(shè)計(jì)要求（錨固力設(shè)計(jì)要求大于200 kN、預(yù)緊力設(shè)計(jì)要求大于130 kN）。巷幫支護(hù)用螺紋鋼錨桿（Φ18 mm×2 200 mm），間排距900 mm×800 mm，錨桿用2 支錨固劑錨固（1 支MSCK2335、1 支MSK2360），有效錨固長度控制在950 mm 以上，錨桿施工完成后抗拔力、扭矩應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求（抗拔力設(shè)計(jì)值為60 kN、扭矩設(shè)計(jì)值為120 N·m）。頂板用規(guī)格220 mm×4 mm×4 300 mm鋼帶配提高表層支護(hù)強(qiáng)度，抑制頂板下沉。具體優(yōu)化后巷道支護(hù)參數(shù)見圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后巷道支護(hù)參數(shù)

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后巷道圍巖變形量監(jiān)測

支護(hù)參數(shù)優(yōu)化監(jiān)測圍巖變形，具體見圖4 所示。從圖中看出，支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后巷道圍巖支護(hù)完成35 d后基本趨于穩(wěn)定，頂板累積下沉量為78 mm、巷幫累積變形量為67 mm；支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后巷道圍巖變形量較支護(hù)優(yōu)化前降幅平均在45%以上。從圍巖變形監(jiān)測結(jié)果來看，20503 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過復(fù)雜地質(zhì)帶時(shí)采用優(yōu)化后的支護(hù)方案可有效提高巷道圍巖控制效果。

圖4 優(yōu)化前后圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

山西某礦20503 運(yùn)輸巷掘進(jìn)至560 m 時(shí)遇到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜帶，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜帶內(nèi)圍巖破碎、承載能力差以及構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育，巷道在原支護(hù)方案下存在圍巖變形量大、頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)高以及圍巖控制困難等問題。依據(jù)掘進(jìn)巷道實(shí)際情況，提出采用“超前鋼管+預(yù)應(yīng)力長短錨索”方式對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場應(yīng)用后，巷道在地質(zhì)復(fù)雜帶內(nèi)掘進(jìn)期間圍巖變形量得以有效控制，巷道支護(hù)35 d 后圍巖穩(wěn)定，頂板、巷幫變形分別為78 mm、67 mm 以內(nèi)，優(yōu)化后的巷道支護(hù)參數(shù)可滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下圍巖變形控制需要。