張雷雷

（山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司慈林山煤礦，山西 長治 046000）

我國是煤炭資源使用大國，由于煤炭資源的大量開采，賦存條件較好的煤炭資源量越來越少，因此埋藏深、賦存條件差的煤炭資源也成為開采目標[1-2]。在復(fù)雜地質(zhì)條件下開采，受斷層、褶曲、陷落柱等構(gòu)造影響，巷道掘進困難，支護難度大，頂板破碎，容易出現(xiàn)安全事故[3]。近年來，隨著巷道全斷面掘進錨護一次成巷技術(shù)的不斷進步，掘錨機得到煤礦的廣泛應(yīng)用，復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道快速掘進得到安全保障。慈林山煤礦15105 工作面地質(zhì)條件較為復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育，存在大量小型斷層。該工作面運輸巷在掘進過程受斷層影響，頂板破碎，對巷道的掘進速度以及支護安全造成嚴重影響。掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術(shù)不僅能夠大幅提高巷道的掘進速度，保證工作面正常接替，還解決破碎頂板下的支護難題。

1 工作面概況

15105 工作面運輸巷位于15 采區(qū)，主采15#煤層，埋深500 m，該巷道用于工作面進風、行人、皮帶安裝。巷道設(shè)計長度為974.1 m，現(xiàn)已施工320 m，余654.1 m。巷道為矩形斷面，凈高5 m，凈寬5 m，凈斷面20 m2。巷道支護形式為錨網(wǎng)索支護，使用Φ20 mm×2000 mm 左旋螺紋鋼高強錨桿、Φ17.8 mm×8000 mm 鋼絞線錨索。頂板錨桿間排距布置為800 mm×1000 mm，中部4 根錨桿垂直頂板打設(shè)，巷道肩窩處錨桿呈75°打設(shè)，錨桿預(yù)緊力設(shè)計為50 kN；巷幫錨桿間排距布置為1000 mm×1000 mm，垂直巷幫打設(shè)，從頂板以下500 mm 開始打設(shè)，錨桿預(yù)緊力設(shè)計為50 kN。頂板錨索呈品字形布置，排距為1000 mm，第一排錨索打設(shè)于巷道中心，第二排錨索分別打設(shè)于巷道中心向兩幫1250 mm 處，錨索預(yù)緊力設(shè)計為120 kN。

2 圍巖賦存及其物理參數(shù)測定

15105 工作面運輸巷埋深為500 m，地質(zhì)勘探資料顯示該巷道前方地質(zhì)條件復(fù)雜，掘進過程中將揭露21 條斷層，斷層落差最小為0.5 m，最大為6 m，對巷道掘進以及支護安全影響較大，因此巷道頂?shù)装鍑鷰r巖性及其物理參數(shù)的掌握就尤為重要[4-5]。為保證掘錨機掘進錨護一次成巷技術(shù)在該巷道的順利應(yīng)用，選擇合適位置對巷道頂?shù)装鍑鷰r施工取芯鉆孔，并測定其物理參數(shù)，見表1。

表1 圍巖賦存及其物理參數(shù)測定成果

15105 工作面運輸巷為沿煤層頂板掘進巷道，圍巖巖性自巷道頂板依次往上分別為泥巖、中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，厚度分別為0.8 m、5.4 m、2.5 m、4.4 m；自巷道底板依次往下分別為砂質(zhì)泥巖、細砂巖，厚度分別為6.6 m、10.4 m。巷道偽頂、直接頂厚度為6.2 m，圍巖物理強度較低，受斷層影響，頂板支護困難問題難以解決。

3 掘錨機掘進錨護一次成巷技術(shù)

15105 工作面運輸巷凈寬為5 m，頂板承壓面積大，并且受構(gòu)造發(fā)育影響，頂板應(yīng)力來源復(fù)雜。通過對圍巖進行取芯測定后發(fā)現(xiàn)巷道頂板圍巖強度較低，容易受采掘活動影響造成圍巖變形。使用綜掘機掘進無法及時對頂板進行支護，容易造成頂板冒落，給現(xiàn)場施工人員帶來安全風險[6-7]。綜合考慮各因素，擬采用掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術(shù)改進巷道施工工藝。該技術(shù)主要有以下優(yōu)勢：

（1）掘錨機可以在掘進完成后無需將設(shè)備后退，立即可以對頂板支護，能夠有效提高巷道的施工速度，同時保證巷道圍巖的整體性，減少變形。

（2）掘錨機本身具備更加先進的臨時支護設(shè)備，能夠快速對頂板進行臨時支護，保證工人在頂板破碎區(qū)域無需承受頂板冒落的風險，更加安全。

（3）掘錨機的一次成巷施工工藝能夠大幅減少現(xiàn)場工人的作業(yè)強度，巷道成型速度快，成型質(zhì)量好，不僅能夠減少人工成本的投入，還能加快工作面的采掘接替，為礦井創(chuàng)造效益。

4 數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化

MB670 型號掘錨機適用于地質(zhì)條件復(fù)雜巷道的快速掘進，能夠控制巷道頂板間距為0.7～1.5 m，并且能夠減少對巷道底板的破壞程度。根據(jù)MB670型號掘錨機的基礎(chǔ)參數(shù)，在采用掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術(shù)時，需要對巷道圍巖變形情況進行數(shù)值模擬。

為保證使用掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術(shù)后巷道的成型質(zhì)量，進行了數(shù)值模擬，測試成巷后圍巖變形情況。

本次模擬采用FLAC3D仿真計算軟件，根據(jù)15105 工作面運輸巷地質(zhì)條件，使用該巷道圍巖巖性及測定得到的相關(guān)物理參數(shù)建立數(shù)值模型，測試不同支護參數(shù)下巷道圍巖的變形情況，選擇最適合的支護方案。首先進行不同錨桿長度對巷道圍巖變形控制效果的模擬測試，結(jié)果如圖1 所示。由圖1可知，當錨桿的支護長度分別為1.8 m、2 m、2.2 m、2.4 m 時，巷道頂板圍巖的下沉量分別為57 mm、50 mm、37 mm、33 mm。原支護方案中，錨桿的支護長度為2 m。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當錨桿的支護長度越長，巷道頂板圍巖穩(wěn)定性越高，但支護長度為2.2 m 與2.4 m 時，巷道頂板下沉變化差距不大，因此錨桿的支護長度選擇2.2 m 最佳。

圖1 頂板下沉量隨錨桿長度變化曲線圖

進行錨桿、錨索不同支護排距對巷道圍巖變形控制效果的模擬，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，當錨桿、錨索的支護排距分別為0.7 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m 時，巷道頂板下沉量分別為60 mm、63 mm、72 mm、79 mm。數(shù)值模擬結(jié)果表明，錨桿、錨索支護排距越小，巷道頂板圍巖穩(wěn)定性越高，但錨桿、錨索支護排距為0.7 m 和0.8 m 時，巷道頂板下沉差距不大，因此錨桿、錨索支護排距選擇2.2 m 最佳。

圖2 頂板下沉量隨錨桿、錨索排距變化曲線圖

5 應(yīng)用效果

在15105 工作面運輸巷采用掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術(shù)支護參數(shù)后，巷道的掘進速度由4 m/d 提高至10 m/d。對成型巷道現(xiàn)場圍巖進行了變形監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，巷道成型后1 個月巷道頂板下沉量為39 mm，巷幫移近量為52 mm，比原綜掘機掘進時圍巖變形量分別降低58.6%和63.7%。