王國輝

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)宏泰公司， 山西 大同 037000）

引言

我國約90%的煤炭是采取地下開采的方式進(jìn)行，采煤過程中需要在地下進(jìn)行巷道開挖，開挖過程中出現(xiàn)的冒頂?shù)仁鹿什粌H會延遲巷道成型，還會對施工人員的安全造成風(fēng)險(xiǎn)。另外，不穩(wěn)定的巖層會在巷道成型后期隨著時(shí)間產(chǎn)生形變，影響巷道的穩(wěn)定和安全。巷道掘進(jìn)效率成為制約煤礦生產(chǎn)效率的核心要素，研究快速掘進(jìn)工藝以及巷道支護(hù)工藝優(yōu)化，對于提升巷道穩(wěn)定性，解決礦井生產(chǎn)效率制約因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文選取泥化軟巖運(yùn)輸平巷為研究對象，進(jìn)行掘進(jìn)超前支護(hù)方案設(shè)計(jì)，以期為同行業(yè)掘進(jìn)支護(hù)工藝優(yōu)化提供參考。

1 管棚超前支護(hù)形式

超前支護(hù)主要是解決巷道開挖過程中出現(xiàn)巖體塌陷破壞巷道成型的一種支護(hù)工藝，主要措施是在巷道確定開挖位置后，根據(jù)巷道剖面形狀，在巷道開挖前的路徑上設(shè)置拱形或其他具有支護(hù)巖層作用的支護(hù)構(gòu)件，通過支護(hù)構(gòu)件的設(shè)置可以極大降低巷道開挖對巖層穩(wěn)定性的破壞，保證巷道開挖的安全性和巷道成型的穩(wěn)定性。實(shí)際上超前支護(hù)構(gòu)件的設(shè)置除了控制巷道開挖巖層變形外，對成型后的巷道穩(wěn)定性也有很大益處，有研究表明，設(shè)置有超前支護(hù)構(gòu)件的巷道成型后，相同時(shí)間內(nèi)的巷道變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于為設(shè)置超前支護(hù)構(gòu)件的巷道[1-2]。管棚法是常用的超前支護(hù)方法，將鋼管通過計(jì)算確定排布方式，保證打入巖層內(nèi)的鋼管組能夠在巷道頂層形成支護(hù)加固體系，能夠承受大部分上層巖層荷載，管棚的兩端要分別固定在未開挖巖體和支護(hù)體兩側(cè)，使管棚結(jié)構(gòu)能夠受力，原理圖見下圖1。

如圖1 所示，管棚是搭建在巷道預(yù)成型前的未開挖巖體和開挖段后的支護(hù)結(jié)構(gòu)上，對上層巖層起到支撐作用，能夠承載上層巖層壓力，保證圍巖的穩(wěn)定；隨著施工的進(jìn)行，巷道預(yù)成型方向上的管棚數(shù)量越來越多，可以有效降低前期管棚件的荷載，降低加固環(huán)的應(yīng)力變形，加固環(huán)與管棚相連，拱部圍巖的形變應(yīng)力會沿著管棚和加固環(huán)傳遞到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，進(jìn)而形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低各支護(hù)件的荷載，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和有效，如果在管棚結(jié)構(gòu)完成后，巷道開挖中出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿剩芘镏ёo(hù)會大大降低冒頂巖層的下降速度，起到支護(hù)緩沖作用[3-4]。

2 1233 運(yùn)輸平巷超前支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

管棚結(jié)構(gòu)的超前支護(hù)法設(shè)計(jì)核心參數(shù)主要包含兩方面內(nèi)容：鋼管屬性參數(shù)和鋼管位置參數(shù)。鋼管屬性參數(shù)主要有長度、管徑以及管壁厚，位置參數(shù)則是鋼管嵌入位置、間距以及搭接長度等，合理地設(shè)計(jì)參數(shù)才能真正起到與支護(hù)作用。

2.1 管棚鋼管屬性參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 鋼管長度

礦井超前支護(hù)鋼管常用長度規(guī)格有兩種，一種是長規(guī)格10～45 m 的，另一種是短規(guī)格＜10 m 的，兩種規(guī)格的鋼管作用不同。短鋼管安裝簡單，需要的鉆孔深度較淺，但超前支護(hù)距離短，循環(huán)量大，且往往與巷道的開挖交替進(jìn)行；長鋼管的超前支護(hù)距離長，對巷道開挖的超前支護(hù)作用優(yōu)于短鋼管，但需要鉆孔深度深，安裝作業(yè)難度高[5-6]。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，在井下超前支護(hù)選擇鋼管長度時(shí)，一般按照需要支護(hù)的圍巖自穩(wěn)能力來確定，而圍巖自穩(wěn)能力由巖體的內(nèi)摩擦角決定，因此鋼管長度可按以下公式計(jì)算：

式中：L 為鋼管長度，m；H 為圍巖的塌落高度，m；θ 為巖體的內(nèi)摩擦角，（°）。

按照1233 運(yùn)輸平巷的巖層參數(shù)，計(jì)算管棚鋼管長度。通過圍巖巖石力學(xué)測試結(jié)果顯示，該段圍巖巷道破壞高度為2.51 m，巖體的內(nèi)摩擦角為26.21°，通過式（1）計(jì)算可知，鋼管的長度應(yīng)為5.6 m 左右，考慮到該段巷道圍巖的巖體較差，適當(dāng)加長了鋼管長度，最終確定支護(hù)鋼管長度為6 m[7-8]。

2.1.2 鋼管管徑與壁厚

大鋼管和小鋼管一般都有匹配的管徑，常見的大鋼管管徑在50～159 mm 之間，小鋼管管徑在30～50 mm 之間，考慮到現(xiàn)場施工的方便，大鋼管的安裝一般采用分節(jié)制作和分節(jié)安裝的方式進(jìn)行，結(jié)合1233 運(yùn)輸平巷的工況環(huán)境，可以采用熱軋無縫鋼管Φ50 mm、壁厚5 mm、每節(jié)長3 m，兩節(jié)拼接的鋼管規(guī)格，兩節(jié)拼接處采用絲扣連接的形式，入孔端的鋼管為便于深入，將端部加工成錐形以引導(dǎo)插入，為保證兩節(jié)連接的可靠性，絲扣端長度不應(yīng)低于100 mm，另外在第一節(jié)鋼管安裝時(shí)保證鋼管的被切削的一面朝上，有利于水流入鋼管。長鋼管外形示意圖如圖2 所示：

圖2 長鋼管外形示意圖（單位：mm）

2.2 管棚鋼管位置參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 開孔位置

鋼管開孔位置主要由兩個(gè)因素確定，一是巷道開挖的輪廓線，鋼管開孔越靠近輪廓線，對巷道開挖過程中頂部圍巖支護(hù)效果越好；二是開孔施工的施工難度和精度，如果太靠近巷道輪廓線，而施工精度不高的情況下，會發(fā)生與巷道成型干涉的情況。由于采用Φ50 mm 的鋼管，可以取鋼管中心距離開挖輪廓線30 cm 處進(jìn)行開孔[9-11]。

2.2.2 環(huán)向間距

環(huán)向間距要根據(jù)選擇的鋼管規(guī)格以及巖層屬性來確定，根據(jù)本文選擇的Φ50 mm 長鋼管，環(huán)向間距一般取0.3～0.4 m。根據(jù)1233 運(yùn)輸平巷圍巖破碎特點(diǎn)，確定環(huán)向間距300 mm，即兩根鋼管的中心線沿著巷道輪廓線間距300 mm。管棚端面示意圖見圖3，該超前支護(hù)方式為U 型棚鋼管布置。

圖3 管棚端面示意圖（單位：mm）

2.2.3 搭接長度

由于U 型鋼棚距為800 mm，為了保證搭接后的管棚能夠承受上層圍巖壓力，同時(shí)考慮鋼管用量，設(shè)計(jì)鋼管搭接長度為1 200 mm，鋼管縱向布置方法見圖4。超前支護(hù)立體圖見圖5。

圖4 管棚搭接示意圖（單位：mm）

圖5 超前支護(hù)立體示意圖（單位：mm）

3 超前支護(hù)工藝效果分析

為了驗(yàn)證管棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性和有效性，對1233 運(yùn)輸平巷進(jìn)行掘進(jìn)工藝試驗(yàn)，掘進(jìn)作業(yè)方式還是采用傳統(tǒng)的三班倒制度，通過監(jiān)測掘進(jìn)進(jìn)度與巷道表面位移量來探究管棚超前支護(hù)巷道開挖工藝效果，巷道表面位移量曲線圖見下頁圖6。

無支護(hù)巷道開挖掘進(jìn)進(jìn)度最小循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m，三班掘進(jìn)距離約10 m，采用管棚超前支護(hù)工藝后，最小循環(huán)進(jìn)尺為2.5 m，三班掘進(jìn)距離約為14 m，掘進(jìn)進(jìn)度增加。圖6 顯示，采用管棚超前支護(hù)工藝后，掘進(jìn)迎頭20 m 范圍內(nèi)的巷道位移量不大于40 mm，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到了穩(wěn)定提升。

圖6 巷道表面位移曲線圖

4 結(jié)論

為了保證巷道開挖時(shí)巖層的穩(wěn)定，降低巷道開挖冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生率，同時(shí)增加巷道成型后的穩(wěn)定，降低巷道長期受壓的變形量，展開了巷道開挖前超前支護(hù)工藝的研究，形成以下結(jié)論：

1）對管棚結(jié)構(gòu)的超前支護(hù)設(shè)計(jì)核心參數(shù)，如管棚鋼管長度、管徑以及管壁厚和管棚鋼管嵌入位置、間距以及搭接長度等參數(shù)的確定方法進(jìn)行了研究，在保證施工效率的同時(shí)確保管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性；

2）根據(jù)1233 運(yùn)輸平巷圍巖特點(diǎn)，確定了鋼管長度為6 m，管徑為Φ50 mm，壁厚為5 mm，開孔位置為鋼管中心距離開挖輪廓線30 cm 處，環(huán)向間距300 mm 以及搭接長度1 200 mm 的超前支護(hù)方案；

3）為了驗(yàn)證管棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性和有效性，對1233 運(yùn)輸平巷進(jìn)行掘進(jìn)工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，采用管棚超前支護(hù)工藝后，掘進(jìn)效率增加約1/2，且掘進(jìn)迎頭20 m 范圍內(nèi)的巷道位移量不大于40 mm，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到了穩(wěn)定提升。