張 晉

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030053）

引言

煤巖巷道掘進(jìn)由多個工序交替完成，包括破、裝、運、支和測五大工序。目前，巷道掘進(jìn)效率與開采效率不相匹配導(dǎo)致煤礦整體上的生產(chǎn)能力無法再提升。影響煤巖巷道快速掘進(jìn)的因素除了掘進(jìn)設(shè)備自動化、智能化水平外，還與各個工序之間的配合程度息息相關(guān)。煤巖巷道的支護(hù)效率、支護(hù)效果是保證巷道快速掘進(jìn)任務(wù)完成和掘進(jìn)安全性的主要因素，尤其是對于煤巖巷道頂板圍巖穩(wěn)定性的控制[1]。因此，為保證煤巖巷道的快速掘進(jìn)，本文將從提高支護(hù)效率和支護(hù)效果兩個層面著手研究。

1 16 號煤層工程概況

本文以利民煤礦的16 號煤層所屬工作面為例開展研究，該工作面煤層的厚度范圍為3.3～8.7 m，煤層平均厚度為7.2 m；工作面煤層的傾角范圍為3°～12°，煤層平均傾角為6°。16 號煤層所屬工作面的頂?shù)装宓刭|(zhì)條件如表1 所示。

表1 16 號煤層所屬工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

經(jīng)探測，該工作面的正常涌水量為5.2 m3/h，最大涌水量可達(dá)95 m3/h。

2 頂板穩(wěn)定高性能錨桿支護(hù)設(shè)計

首先對影響煤巖巷道頂板穩(wěn)定性的因素及其規(guī)律進(jìn)行分析；其次，根據(jù)影響規(guī)律分析并結(jié)合16 號煤層所屬工作面的頂?shù)装宓刭|(zhì)條件進(jìn)行合理的錨桿設(shè)計。

2.1 影響頂板穩(wěn)定性的規(guī)律分析

通過理論分析，頂板深跨比和下沉?xí)γ簬r巷道的支護(hù)造成影響；反之，支護(hù)強度和循環(huán)步距均會對頂板的穩(wěn)定性造成影響。相關(guān)規(guī)律總結(jié)如下：

1）基于巷道支護(hù)強度對頂板下沉的力學(xué)模型，對巷道幫部進(jìn)行錨桿支護(hù)后能夠提高錨桿支護(hù)整體的抗壓和抗剪能力，從而減小工作面圍巖的破碎區(qū)域和塑性變形區(qū)域。

2）巷道兩幫巖體的變形會直接對頂板圍巖的穩(wěn)定性造成影響。因此，為保證巷道頂板的穩(wěn)定性，在對其頂板進(jìn)行常規(guī)支護(hù)的同時應(yīng)加強對巷道兩幫的支護(hù)，從而減小煤巖巷道頂板巖梁的跨度[2]。

3）錨桿的整體支護(hù)強度足夠大時可使支護(hù)結(jié)構(gòu)與煤巖巷道的頂板形成共同承載體；當(dāng)支護(hù)強度較小時還需頂板發(fā)生一定量的變形后才能保證支護(hù)結(jié)構(gòu)為一個整體。

2.2 頂板穩(wěn)定高性能支護(hù)

基于對影響頂板穩(wěn)定性規(guī)律的分析基礎(chǔ)，為實現(xiàn)對煤巖巷道的快速掘進(jìn)，保證巷道頂板圍巖的穩(wěn)定性，需為其配置高強度、高預(yù)應(yīng)力和高系統(tǒng)剛度的錨桿支護(hù)體系。因此，需要強化錨桿的承載性能、破裂圍巖體強度和巷道圍巖的結(jié)構(gòu)。

影響頂板穩(wěn)定性的因素主要包括有錨桿預(yù)緊力、錨桿間排距和錨固長度。從理論上看，錨桿預(yù)緊力越大越有利于對頂板圍巖的破碎層進(jìn)行控制，但是也受隨之帶來的拉應(yīng)力區(qū)域的影響。錨桿間排距越小，越能夠提高整個區(qū)域內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性；但是，間排距過小會增加支護(hù)工作量，增加支護(hù)成本，降低支護(hù)效率，影響巷道的快速掘進(jìn)任務(wù)。錨固長度越大，對應(yīng)圍巖所承受的壓縮區(qū)域越小，為保證對巷道頂板圍巖的穩(wěn)定控制一般采用分段錨固的方法進(jìn)行支護(hù)。本節(jié)將通過數(shù)值模擬手段對上述參數(shù)的合理范圍進(jìn)行確定。

2.2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

設(shè)定頂板錨桿的間排距為900 mm、1 000 mm，錨桿數(shù)量為6 根，兩幫錨桿的間排距為1 100 mm×1 000 mm，錨桿數(shù)量為4 根，頂板和兩幫錨桿直徑均為22 mm，預(yù)緊力均為80 kN。在上述參數(shù)確定的基礎(chǔ)上對錨桿長度為2.2 m、2.5 m 和2.8 m 對應(yīng)的圍巖X軸方向的水平應(yīng)力、圍巖塑性變形以及圍巖位移特征進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖1、圖2、圖3 所示。

（1）如果有多個系統(tǒng)需要進(jìn)行登錄、認(rèn)證，管理員的維護(hù)和管理的成本將會大幅增加，并隨著規(guī)模的增加，維護(hù)難度會增加。

圖1 不同錨桿長度X 軸方向應(yīng)力云圖

圖2 不同錨桿長度圍巖塑性區(qū)分布特征

圖3 不同錨桿長度圍巖位移分布特征

由圖1、圖2、圖3 可知，隨著錨桿長度的增加，對應(yīng)煤巖巷道變形量由400 mm 減小至280 mm，X 軸應(yīng)力從33 MPa 減小至26 MPa，同時圍巖塑性變形區(qū)域也減小。綜上，將錨桿長度設(shè)定為2.8 m。

同理，分別對不同錨桿預(yù)緊力、間距和排距下煤巖巷工作面圍巖的塑性變形分布區(qū)域、變形量以及X軸方向應(yīng)力等進(jìn)行對比后得出適用于16 號煤層所屬工作面的具體支護(hù)參數(shù)如下：錨桿預(yù)緊力大于80 kN，錨桿間排距為900 mm、1 000 mm，錨桿長度為2.8 m。

2.2.2 支護(hù)方案的確定

在上述數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，最終確定的支護(hù)方案如圖4 所示。

圖4 錨桿支護(hù)方案（單位：mm）

3 頂板穩(wěn)定高性能錨桿支護(hù)工業(yè)性試驗

將上述錨桿支護(hù)方案應(yīng)用實施于16 號煤巖巷道的掘進(jìn)中，對錨桿支護(hù)的效果和巷道的掘進(jìn)效率進(jìn)行綜合評估。

3.1 支護(hù)效果評估

煤巖巷道支護(hù)效果主要通過對巷道表面位移的觀測結(jié)果進(jìn)行評估。根據(jù)16 號煤層煤巖巷道的實際情況制定了有效的觀測方案，在為期30 d 的觀測期間內(nèi)，煤巖巷道頂板和兩幫的移近量如圖5 所示。

圖5 煤巖巷道支護(hù)效果評估

如圖5 所示，隨著時間的推移，工作面兩幫和頂?shù)装宓囊平恐饾u趨于穩(wěn)定。其中，兩幫的移近量相對值為103 mm，頂板移近量的相對值為78 mm，二者均在可控范圍之內(nèi)。

3.2 掘進(jìn)效果驗證

對煤巖巷道采用上述錨桿支護(hù)后，對掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配套，工作面的掘進(jìn)效率對比如表2 所示。

表2 煤巖巷道掘進(jìn)效率對比

如表2 所示，優(yōu)化后工作面每天掘進(jìn)推進(jìn)的進(jìn)尺速度增加100%，極大地提升了煤巖巷道的掘進(jìn)速度，達(dá)到了快速掘進(jìn)的目的。

4 結(jié)語

實現(xiàn)對煤巖巷道的快速掘進(jìn)對于提高煤礦的生產(chǎn)能力具有重要意義。從某種程度上講，提高對煤巖巷道的快速、高效支護(hù)是實現(xiàn)快速掘進(jìn)的關(guān)鍵。本文以16 號煤層煤巖巷道為例開展研究，確定其錨桿支護(hù)參數(shù)并開展工業(yè)性試驗，總結(jié)如下。

1）適用于16 號煤層所屬工作面的具體支護(hù)參數(shù)如下：錨桿預(yù)緊力大于80 kN，錨桿間排距為900 mm、1 000 mm，錨桿長度為2.8 m。

2）優(yōu)化后工作面每天掘進(jìn)推進(jìn)的進(jìn)尺速度增加100%，極大地提升了煤巖巷道的掘進(jìn)速度，達(dá)到了快速掘進(jìn)的目的。

3）兩幫的移近量相對值為103 mm，頂板移近量的相對值為78 mm，二者均在可控范圍之內(nèi)。