郭 威

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)古縣東瑞煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042045）

引言

在礦井開采、回采巷道掘進(jìn)等環(huán)節(jié)中難以避免會揭露斷層、褶曲、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，在地質(zhì)構(gòu)造破碎帶內(nèi)掘進(jìn)時圍巖面臨破碎、承載能力差、應(yīng)力集中等問題，給巷道正常的掘進(jìn)安全帶來制約[1-2]?，F(xiàn)階段眾多的研究學(xué)者對破碎帶內(nèi)圍巖支護(hù)技術(shù)展開研究，并提出采用管棚超前支護(hù)、超前錨桿支護(hù)、圍巖注漿、分布耦合支護(hù)等技術(shù)方案，取得一定的應(yīng)用成果[3-6]。但是受到圍巖破碎、承載能力差以及采動壓力等多重因素影響，斷層破碎帶內(nèi)巷道圍巖變形量較大。山西某礦3506 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度3 680 m，服役時間接近3 年，巷道掘進(jìn)至圍巖破碎帶時面臨圍巖變形嚴(yán)重、支護(hù)難度大以及頻繁修整等問題，為此，提出將原有的錨網(wǎng)索噴支護(hù)方式優(yōu)化為條帶砌碹支護(hù)方式，通過增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度來達(dá)到控制圍巖變形的目的，圍巖控制取得較好效果。

1 3506 工作面工程概況

3506 工作面開采5 號煤層，煤厚介于3.17～5.26m，賦存穩(wěn)定，頂?shù)装逡阅鄮r、粉砂巖等為主。3506 工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度3 638 m，采面斜長268 m，設(shè)計(jì)開采時間2.2 年，為礦井主力生產(chǎn)采面。3506 運(yùn)輸巷沿5號煤底板掘進(jìn)，巷寬6.0 m、高4.9 m，直墻半圓拱型斷面，根據(jù)已有地質(zhì)資料顯示，3506 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中會揭露F18、F5 以及F86 等斷層，具體對巷道掘進(jìn)影響較大的斷層參數(shù)見表1。

表1 3506 運(yùn)輸巷掘進(jìn)揭露部分?jǐn)鄬訁?shù)

巷道圍巖支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴方式，巷道全斷面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)（1 500 mm×800 mm×100 mm）、噴射C25混凝土（厚度100 mm）；錨桿規(guī)格Φ20 mm×2 500 mm，間排距800mm、800mm；錨索規(guī)格Φ21.8mm×7100 mm，間排距1 200 mm、1 600 mm。3506 運(yùn)輸巷在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及圍巖破碎等因素綜合作用下，導(dǎo)致巷道圍巖變形量大，局部位置出現(xiàn)錨噴層脫落、金屬網(wǎng)外露以及頂板、量幫變形量大等問題，具體巷道位置變形情況如圖1 所示。礦方技術(shù)人員及管理人員通過對巷道變形特征進(jìn)行分析，并結(jié)合其他礦井破碎圍巖巷道控制策略，提出通過增強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度的方式提高圍巖控制效果，具體采用條帶砌碹方式對圍巖進(jìn)行支護(hù)。

圖1 巷道遇斷層破碎帶圍巖變形現(xiàn)場圖

2 條帶砌碹支護(hù)應(yīng)用

砌碹支護(hù)可顯著提高巷道表層圍巖支護(hù)強(qiáng)度，從而達(dá)到降低圍巖變形量的目的。3506 運(yùn)輸巷在圍巖條件相對較好區(qū)域采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)方式時可滿足圍巖控制需要，僅在圍巖破碎區(qū)出現(xiàn)變形量較大的問題，為此為提高巷道支護(hù)工程量并降低支護(hù)耗時，條帶砌碹支護(hù)僅在破碎帶及兩側(cè)各5 m 范圍內(nèi)采用。

2.1 條帶砌碹支護(hù)混凝碹體厚度確定

條帶砌碹碹體厚度與支護(hù)所在位置埋深、地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)，具體砌碹碹體厚度可通過下述公式計(jì)算：

收稿日期：2021- 11- 24

作者簡介：郭威（1981—），男，山西臨汾人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，從事煤礦安全管理工作。

式中：r 為運(yùn)輸巷斷面等代圓半徑，取4 900 mm；fc為砌碹支護(hù)強(qiáng)度，取30 MPa；vk為支護(hù)安全系數(shù)，取3；P 為砌碹實(shí)際載荷，MPa。

砌碹垂直載荷q 可通過式（2）計(jì)算：

式中：γ 為巷道圍巖容重，取27 kN/m3；S 為巷道圍巖等級，取5；ω 為影響系數(shù)，取0.96。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（2）得：q=0.18 MPa。

設(shè)計(jì)的砌碹寬度為1 600 mm，兩砌碹條帶間間距為800 mm，為此條帶砌碹實(shí)際需要承受寬度2400mm圍巖載荷，具體砌碹實(shí)際載荷P=q2400/1600=0.27MPa。

將r=4 900 mm、fc=30 MPa、vk=3、P=0.27 MPa 帶入式（1）中，計(jì)算得h=138.3 mm，為確保安全，取安全系數(shù)1.5，為此條帶碹體厚度為210 mm。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3506 運(yùn)輸巷在地質(zhì)條件正常區(qū)段采用常規(guī)的錨網(wǎng)索噴支護(hù)方式，而在圍巖破碎范圍區(qū)段內(nèi)掘進(jìn)時綜合采用錨桿支護(hù)、砌碹支護(hù)控制圍巖變形。錨桿支護(hù)緊跟掘進(jìn)迎頭，并在距離掘進(jìn)迎頭一定距離進(jìn)行條帶砌碹支護(hù)。具體巷道掘進(jìn)至破碎帶時錨桿、砌碹支護(hù)斷面如圖2 所示。其中砌碹段長度1 600 mm、錨桿支護(hù)段長度800 mm，砌碹段及錨桿支護(hù)段交替進(jìn)行。

圖2 圍巖破碎帶條帶砌碹支護(hù)斷面（單位：mm）

2.2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)

3506 運(yùn)輸巷掘進(jìn)至破碎帶時錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)斷面如圖3 所示，其中圍巖支護(hù)使用的錨桿規(guī)格均為Φ20 mm×2 500 mm，間排距800 mm、800 mm，整個支護(hù)斷面布置11 根錨桿，除兩側(cè)巷幫靠近底板錨桿有15°外插角外，其余錨桿均垂直巷道壁施工；支護(hù)采用的鋼筋網(wǎng)寬度800 mm，采用Φ6.5 mm 圓鋼焊接制作，網(wǎng)孔150 mm×150 mm。

圖3 錨桿支護(hù)斷面圖（單位：mm）

2.2.2 砌碹支護(hù)設(shè)計(jì)

在砌碹段采用的規(guī)格為Φ20 mm×2 800 mm，錨桿長度較錨桿支護(hù)段增加300 mm，其余錨桿布置參數(shù)與錨桿支護(hù)段一致。砌碹段采用的錨桿尾部桿體外漏長度300 mm。砌碹采用的混凝土強(qiáng)度為C30、厚度210 mm，如圖4 所示。

圖4 砌碹支護(hù)段示意圖（單位：mm）

巷道砌碹段支護(hù)流程為：巷道圍巖錨桿施工→里側(cè)托板安裝→柔模架設(shè)→安裝金屬網(wǎng)→外側(cè)托板安裝→泵送混凝土→成巷。具體砌碹支護(hù)中采用柔模規(guī)格為1.6 m×12.5 m×0.20 m，采用的水泥為P42.5R?；炷翑嚢琛⑦\(yùn)輸?shù)炔捎眯吞朘TRHZSJ-50 制備輸送機(jī)組（見圖5），混凝土產(chǎn)能為50 m3/h，可滿足巷道砌碹混凝土使用以及遠(yuǎn)距離泵送需要。由于砌碹支護(hù)滯后掘進(jìn)迎頭，因此可實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)與砌碹支護(hù)平行作業(yè)。

圖5 混凝土制備輸送機(jī)組

2.3 圍巖支護(hù)效果分析

在3506 運(yùn)輸巷圍巖破碎帶采用條帶砌碹支護(hù)后，對錨桿受力以及圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，錨桿受力穩(wěn)定，未出現(xiàn)破斷或者失效等情況；同時巷道圍巖變形較小，頂板、兩幫發(fā)生在錨桿支護(hù)段、最大變形量僅為12 mm，圍巖變形量整體較小。

通過在破碎圍巖段采用條帶砌碹支護(hù)，在采面后續(xù)回采過程中基本不需要對巷道進(jìn)行修整，提高了巷道使用效率，并降低了后續(xù)維護(hù)工程費(fèi)用。

3 結(jié)語

3506 運(yùn)輸巷服役時間接近3 年，巷道掘進(jìn)至圍巖破碎段時受地應(yīng)力、圍巖承載能力差、支護(hù)強(qiáng)度低等因素影響，存在圍巖變形量大、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等問題，需頻繁修整，無法滿足采面煤炭高效開采需要。為此，提出采用條帶砌碹方式對破碎帶圍巖進(jìn)行支護(hù)，砌碹段（長1 600 mm）與錨桿支護(hù)段（長800 mm）交替進(jìn)行，不僅提升了圍巖支護(hù)強(qiáng)度，而且降低了砌碹支護(hù)工程量。

采用理論計(jì)算法確定砌碹段砌碹厚度為210 mm，并依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對圍巖破碎段條帶砌碹支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場應(yīng)用后，有效控制了破碎帶巷道圍巖變形，在后續(xù)使用過程中基本不需要修整，可為3506 綜采工作面煤炭高效開采創(chuàng)造良好條件。