王衛(wèi)宏

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

科學(xué)合理的支護(hù)方案是確?；夭上锏绹鷰r穩(wěn)定和提高掘巷效率的先決條件，錨桿、錨索的長(zhǎng)度和間排距是決定支護(hù)方案是否合理的關(guān)鍵因素[1-4]。郝曉飛基于對(duì)新景礦8128 進(jìn)風(fēng)巷圍巖地應(yīng)力測(cè)試和鉆孔窺視結(jié)果的分析，對(duì)巷道原支護(hù)方案進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[5]。劉江華通過(guò)對(duì)青洼煤業(yè)21031 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間巷道破壞特征及表面位移的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好的圍巖控制效果[6]。石海波和陳文軍等基于對(duì)回采巷道原支護(hù)方案和圍巖變形特征，提出了“高強(qiáng)度、低密度”優(yōu)化支護(hù)方案，提高了掘巷效率，降低了掘巷成本[7-8]。本文針對(duì)三元煤業(yè)四采區(qū)回風(fēng)巷掘巷期間巷道變形較大，支護(hù)密度高，局部出現(xiàn)網(wǎng)兜、掉頂和片幫現(xiàn)象，分析了巷道原支護(hù)方案存在的問(wèn)題，基于巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，提出了“高強(qiáng)度、低密度”的優(yōu)化支護(hù)方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

1 工程概況

三元煤業(yè)位于山西省長(zhǎng)治市境內(nèi)，目前主要開采3#煤層，煤層平均埋深376.5 m，煤層厚度為6.36～7.50 m，平均厚度7.20 m，煤層傾角1°～10°，平均傾角5.5°。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存穩(wěn)定，厚度變化較小，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層偽頂為0.1 m 厚的砂質(zhì)泥巖，直接頂為8.65 m 厚的細(xì)粒砂巖，基本頂為4.09 m 厚的中粒砂巖，直接底為1.0 m 厚的砂質(zhì)泥巖，基本底為2.98 m 厚的細(xì)粒砂巖。四采區(qū)回風(fēng)巷位于3#煤層四采區(qū)南翼，東北側(cè)為四采區(qū)皮帶巷，西南側(cè)為四采區(qū)膠輪車巷，如圖1。巷道沿3#煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1412 m，矩形斷面，斷面尺寸為5300 mm×3150 mm（寬×高）。

圖1 巷道布置平面圖

2 巷道原支護(hù)方案及圍巖破壞特征

2.1 巷道原支護(hù)方案

四采區(qū)回風(fēng)巷原支護(hù)方案為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)斷面如圖2，具體支護(hù)參數(shù)為：

圖2 巷道原支護(hù)斷面圖（mm）

（1）頂板支護(hù)。頂板錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm，間排距800 mm×1000 mm，每排布置7 根，中間5 根錨桿垂直于巷道頂板布置，兩肩窩錨桿在距巷幫250 mm處與巷幫呈75°角布置。每根錨桿配合使用1 支MSZ2360 樹脂錨固劑。錨桿預(yù)緊力為170 N·m，錨固力100 kN。錨桿托盤采用150 mm×150 mm×10 mm 拱型高強(qiáng)度托板。頂板采用10#鐵絲編制礦用金屬經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔特征尺寸50 mm×50 mm，寬1150 mm，長(zhǎng)5600 mm。錨索采用Φ18.9 mm×6300 mm 的1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距2400 mm×1000 mm，每排布置3 根，所有錨索均沿巷道中心線及兩側(cè)垂直于巷道頂板布置。每根錨索配合使用一支MSK2335 和兩支MSZ2360 樹脂錨固劑。錨索預(yù)緊力250 kN，錨固力150 kN。錨索托板采用300 mm×300 mm×14 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，托板材質(zhì)為Q235 鋼。

（2）巷幫支護(hù)。巷道兩幫錨桿均采用Φ20 mm×2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×1000 mm，每排布置5 根錨桿，中間3 根錨桿垂直于巷幫布置，上下兩端錨桿分別與水平線呈20°角布置。每根錨桿配合使用1 支MSZ2360樹脂錨固劑。錨桿托盤采用尺寸為150 mm×150 mm×10 mm 的拱型高強(qiáng)度托板。巷幫采用10#鐵絲編制礦用金屬經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔特征尺寸50 mm×50 mm，寬1150 mm，長(zhǎng)2500 mm。

2.2 原支護(hù)方案存在的問(wèn)題

原支護(hù)方案下巷道掘進(jìn)400 m 范圍內(nèi)無(wú)明顯礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，巷道內(nèi)礦壓顯現(xiàn)逐漸強(qiáng)烈，巷道出現(xiàn)頂板網(wǎng)兜、局部掉頂和片幫現(xiàn)象，巷道內(nèi)煤炮聲頻繁。距巷口450 m 處巷道表面變形測(cè)站監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量分別為264.58 mm 和302.36 mm，巷道圍巖表面變形量較大。此外，原支護(hù)方案下每排需布置7 根頂板錨桿、3 根錨索和10 根幫錨桿，巷道支護(hù)密度大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，掘進(jìn)速度慢。

2.3 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

為掌握巷道圍巖破壞范圍，對(duì)原支護(hù)方案下巷道圍巖控制程度進(jìn)行判定，同時(shí)為巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。在四采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)距巷口100 m、200 m 和300 m 處各布置1 個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站分別在頂板左右兩側(cè)及兩幫上下部各布置1 個(gè)測(cè)孔，分別編號(hào)為1#和2#測(cè)孔，其中頂板測(cè)孔深8 m，兩幫測(cè)孔深3 m。具體圍巖松動(dòng)圈觀測(cè)結(jié)果見表1。

表1 四采區(qū)回風(fēng)巷圍巖松動(dòng)圈窺視結(jié)果

由表1 可以看出，四采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)3 個(gè)測(cè)站所觀測(cè)到的頂板圍巖松動(dòng)圈平均深度約為2.23 m，兩幫圍巖松動(dòng)圈平均深度約為2.12 m，已超過(guò)原支護(hù)中巷道頂板和兩幫錨桿長(zhǎng)度，表明原支護(hù)中頂板和兩幫所采用的規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm 和Φ20 mm×2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿難以有效控制巷道圍巖變形，故須對(duì)巷道原支護(hù)方案進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以確保巷道圍巖控制效果。

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化及圍巖控制效果

3.1 巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于四采區(qū)回風(fēng)巷實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件和原支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，提出采用“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)方案。優(yōu)化后的支護(hù)斷面圖如圖3，具體支護(hù)參數(shù)如下：

圖3 巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖（mm）

（1）頂板支護(hù)。頂板錨桿由原來(lái)的Φ20 mm×2200 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿改為Φ22 mm×2600 mm，間排距為1200 mm×1000 mm，每排由7 根錨桿減少至5 根，中間3 根錨桿垂直于巷道頂板布置，兩肩窩錨桿打設(shè)位置和角度與原支護(hù)方案相同。每根錨桿使用MSZ2360 和MSK2335樹脂錨固劑各1 支。錨桿預(yù)緊力由170 N·m 增大為300 N·m，錨固力由100 kN 增大為127 kN。錨索由原來(lái)的Φ18.9 mm×6300 mm 的1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線改為Φ18.9 mm×8300 mm 的1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距和打設(shè)位置及角度不變。每根錨索使用MSK2335 和MSZ2360樹脂錨固劑各2 支。錨索預(yù)緊力由250 kN 增大為320 kN，錨固力由150 kN 增大為175 kN。

（2）兩幫支護(hù)。巷道幫錨桿由原來(lái)的Φ20 mm×2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿改為Φ22 mm×2400 mm，間排距為950 mm×1000 mm，每排布置4 根錨桿，中間2 根錨桿垂直于巷幫布置，上下兩端錨桿分別在距頂板/底板150 mm 處與水平線呈20°角布置。每根錨桿配合使用MSZ2360和MSK2335 樹脂錨固劑各1 支。

3.2 巷道圍巖控制效果分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖變形的控制效果，在四采區(qū)回風(fēng)巷后期掘進(jìn)期間，距掘進(jìn)迎頭50 m 和100 m 處各布置1 個(gè)巷道表面變形測(cè)站，分別編號(hào)為1#和2#測(cè)站，采用十字測(cè)點(diǎn)法對(duì)采用優(yōu)化支護(hù)后的巷道表面變形進(jìn)行了60 d 的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 巷道圍巖表面變形量

由圖4 可知，1#測(cè)站所觀測(cè)到的巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量均稍大于2#測(cè)站，這是因?yàn)橄噍^于2#測(cè)站，1#測(cè)站距掘進(jìn)迎頭更近，此時(shí)巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)圍巖影響較為強(qiáng)烈。1#和2#測(cè)站所觀測(cè)到的巷道圍巖表面變形量在0～30 d 內(nèi)均隨觀測(cè)時(shí)間快速增長(zhǎng)，在30 d 以后逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。由此可見，巷道掘進(jìn)擾動(dòng)打破了圍巖初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，在0～30 d 范圍內(nèi)，新的應(yīng)力平衡狀態(tài)尚未形成，圍巖內(nèi)部應(yīng)力釋放，變形量較大；而在30 d 以后，新的應(yīng)力平衡狀態(tài)逐漸形成，圍巖內(nèi)部應(yīng)力釋放逐漸減弱，巷道表面變形量逐漸趨于穩(wěn)定。此外，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為87.32 mm和114.92 mm，巷道圍巖表面變形量在允許范圍內(nèi)，且在巷道后期掘進(jìn)期間，無(wú)網(wǎng)兜、掉頂和片幫現(xiàn)象發(fā)生，表明優(yōu)化后的支護(hù)方案對(duì)四采區(qū)回風(fēng)巷圍巖變形控制效果較好。

此外，巷道后期掘進(jìn)施工數(shù)據(jù)表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案相較于原支護(hù)方案，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺從7 m/d 提高到了9 m/d，掘巷速度提高了28%，支護(hù)材料成本每米巷道節(jié)約140 元，相較于原有支護(hù)材料成本降低了14%，再加上每米巷道支護(hù)時(shí)節(jié)省的人工成本和提升的28%掘進(jìn)效率，綜合掘進(jìn)每米巷道成本相較于優(yōu)化設(shè)計(jì)前平均降低了20%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基于巷道表面變形觀測(cè)和圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，指出了四采區(qū)回風(fēng)巷原支護(hù)方案支護(hù)密度大，掘巷速度低，且錨桿長(zhǎng)度不足以有效控制巷道圍巖變形。

（2）提出了“高強(qiáng)度、低密度”優(yōu)化支護(hù)方案，減少了每排錨桿數(shù)量，增大了錨桿、錨索長(zhǎng)度，提高了錨桿、錨索預(yù)緊力和錨固力。

（3）巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為87.32 mm 和114.92 mm，圍巖變形控制效果較好，掘巷速度提高28%，每米巷道成本降低20%。