岳江偉

（山西介休義棠青云煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000）

1 工程概況

凱嘉集團(tuán)青云煤業(yè)020204 綜采工作面位于二采區(qū)，工作面內(nèi)2#煤層最大厚度為2.7 m，最小厚度為2.3 m，平均厚度為2.5 m。煤層傾角10°～16°，平均13°。020204 工作面回采系統(tǒng)由軌道順槽、運(yùn)輸順槽及切眼組成，工作面傾斜長(zhǎng)度105 m，兩側(cè)順槽平均長(zhǎng)度510 m，回采巷道均沿2#煤頂板掘進(jìn)，其頂?shù)装鍘r層具體特征詳見(jiàn)表1。參照已回采的020201 工作面施工經(jīng)驗(yàn)，順槽采用錨網(wǎng)索支護(hù)掘巷施工期間，錨桿（索）支護(hù)時(shí)間占比過(guò)大，占整個(gè)巷道成巷時(shí)間的 60%～70%，易造成采掘接替緊張。為進(jìn)一步提高礦井煤巷快速掘進(jìn)效率，以020204 軌道順槽為例進(jìn)行分次支護(hù)技術(shù)的研究。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性特征

2 020204 軌道順槽支護(hù)設(shè)計(jì)

020204 軌道順槽平均埋深約200 m，矩形斷面，寬、高=5.7 m、3.8 m，采用等效圓理論進(jìn)行其錨桿支護(hù)參數(shù)分析計(jì)算。巷道開(kāi)挖后圍巖內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育半徑Rp可由下式推算[1]：

式中：R為巷道斷面等效半徑，取值3.43 m；P0為初始地應(yīng)力，取值4.2 MPa；c為煤體內(nèi)聚力，取值0.75 MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，取值31°。通過(guò)式（1）計(jì)算可得Rp=4.88 m，則可得到錨桿自由段長(zhǎng)度l2=Rp-R=4.88 m-3.43 m=1.45 m。頂板錨桿錨固段長(zhǎng)度l1=0.5 m，外露長(zhǎng)度l3=0.05 m，則頂板錨桿長(zhǎng)度l=l1+l2+l3=2.0 m。青云煤業(yè)現(xiàn)階段巷道支護(hù)所用錨桿由Ф18 mm 的圓鋼制成，因此設(shè)計(jì)020204 軌道順槽頂板錨桿規(guī)格為Ф18 mm×2400 mm?？紤]現(xiàn)場(chǎng)施工方便等因素，確定頂板錨桿間排距為1.0 m。巷道兩幫的支護(hù)結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，回采幫錨桿規(guī)格Ф18 mm×1600 mm，煤柱幫錨桿規(guī)格Ф16 mm×1800 mm；開(kāi)采側(cè)每排2 根，位于巷道中上部，排距1.0 m；煤柱側(cè)每排3 根，排距1.0 m；巷道底板采用C15細(xì)石混凝土進(jìn)行鋪底。020204 軌道順槽最終支護(hù)詳情如圖1。

圖1 020204 軌道順槽支護(hù)詳情（mm）

3 分次支護(hù)時(shí)機(jī)分析

巷道快速掘進(jìn)期間進(jìn)行分次支護(hù)的時(shí)機(jī)可根據(jù)圍巖的變形規(guī)律進(jìn)行確定[3-4]。為掌握020204 軌道順槽圍巖變形規(guī)律，在其掘巷初期采用三角形布點(diǎn)法進(jìn)行頂板下沉量及兩幫移近量的實(shí)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)整理得到圍巖變形量、變形速率隨著與掘進(jìn)迎頭距離的變化規(guī)律如圖2。

圖2 圍巖變形曲線

由巷道圍巖變形曲線可以看出，根據(jù)圍巖變形速率的變化主要可分為三個(gè)階段。第一階段：距迎頭0～12 m 為快速變形階段，頂板下沉最大速率可達(dá)3.7 mm/d，兩幫移近最大速率可達(dá)2.6 mm/d；第二階段：距迎頭12～40 m 為持續(xù)變形階段，該階段圍巖的變形量持續(xù)增大，但變形速率平穩(wěn)下降；第三階段：距迎頭40 m 以上，表面變形速率基本減小為零，圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由此設(shè)計(jì)分次支護(hù)，第一次支護(hù)在距迎頭0～5 m 處，及時(shí)抑制頂板巖層的下沉、離層，提供可靠的掘進(jìn)作業(yè)空間；第二次支護(hù)在距迎頭20～25 m，補(bǔ)打頂板剩余錨桿，保證巷道圍巖的整體穩(wěn)定；第三次支護(hù)在距迎頭35～40 m，進(jìn)行頂板錨索及幫部錨桿的施工，圍巖變形基本穩(wěn)定，使巷道圍巖能夠長(zhǎng)期維持穩(wěn)定狀態(tài)。第一次支護(hù)為保障掘進(jìn)安全，第二次、第三次支護(hù)已不影響巷道繼續(xù)掘進(jìn)施工，可顯著提高巷道掘進(jìn)速率。

4 分次支護(hù)方案設(shè)計(jì)及可行性研究

4.1 分次支護(hù)設(shè)計(jì)

青云煤業(yè)連采機(jī)割煤期間每次循環(huán)進(jìn)尺2.5 m，每一循環(huán)掘進(jìn)3 排錨桿，割煤完成后退停機(jī)并將前托梁緊貼頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。為保障掘進(jìn)空間的安全穩(wěn)定，設(shè)計(jì)首次支護(hù)為頂板中央的4 根錨桿，由外向掘進(jìn)頭方向支護(hù)，支護(hù)3 排，頂板鋪設(shè)規(guī)格Ф6.5 mm×150 mm×150 mm 的鋼筋網(wǎng)；第二次支護(hù)在距迎頭20～25 m 范圍內(nèi)進(jìn)行，進(jìn)行兩側(cè)肩角處頂板錨桿的施工；第三次支護(hù)在距迎頭35～40 m 范圍內(nèi)進(jìn)行，進(jìn)行兩幫錨桿及頂板錨索的施工，錨索規(guī)格Ф17.8 mm×7000 mm，每排1 根，排距3.0 m。分次支護(hù)詳情如圖3。

圖3 分次支護(hù)方案示意圖（mm）

4.2 圍巖控制效果分析

為分析020204 軌道順槽采用分次支護(hù)方案掘進(jìn)期間圍巖的穩(wěn)定性，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬研究?？紤]巷道開(kāi)挖的影響范圍通常為斷面等效半徑的3～5 倍，設(shè)計(jì)模型長(zhǎng)、寬、高=100 m、50 m、40 m。煤巖層均采用黏彈性本構(gòu)模型，錨桿、錨索支護(hù)材料采用線彈性材料，模型初始地應(yīng)力為12.5 MPa，巷道掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為2.5 m。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到在三次支護(hù)后圍巖的變形情況如圖4。隨著與迎頭距離的增大，巷道表面變形量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在距迎頭10 m 處頂板中部下沉量最大為5.85 mm、幫部水平位移最大為2.21 mm，在距迎頭30 m 處頂板中部下沉量最大為9.12 mm、幫部水平位移最大為4.20 mm，在距迎頭45 m 處頂板中部下沉量最大為12.6 mm、幫部水平位移最大為9.34 mm，巷道圍巖的變形量均在可控范圍內(nèi)。綜上可知，分次支護(hù)可有效控制圍巖的變形破壞。

圖4 圍巖位移量模擬結(jié)果

5 礦壓監(jiān)測(cè)及應(yīng)用效果分析

020204 軌道順槽掘巷早期仍采用原有的支護(hù)工藝，在距離巷道開(kāi)口處的0～100 m 范圍為試驗(yàn)段1，采用傳統(tǒng)的掘進(jìn)、支護(hù)施工，并布置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在距開(kāi)口處100～200 m 的范圍為試驗(yàn)段2，采用上述分次支護(hù)作業(yè)方式，同樣布置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)及試驗(yàn)段設(shè)計(jì)如圖5（a），巷道表面變形曲線如圖5（b）?？梢钥闯?，采用一次支護(hù)和分次支護(hù)條件下，巷道表面圍巖變形量隨著與迎頭距離的變化規(guī)律基本一致，在與迎頭距離大于40 m 之后變形量基本不再增大。分次支護(hù)條件下，頂板下沉量均值為17.4 mm，兩幫移近量均值為8.4 mm，相對(duì)于一次支護(hù)條件下頂板、兩幫變形量分別增大2.5 mm、1.7 mm。分析可知，主要由于分次支護(hù)前期允許巷道圍巖產(chǎn)生一定的變形。總體而言，分次支護(hù)條件下圍巖變形量仍在合理可控范圍內(nèi)。020204 軌道順槽采用原掘進(jìn)支護(hù)工藝條件下，日進(jìn)尺為40 m，采用分次支護(hù)方案后，日進(jìn)尺為55 m，掘進(jìn)速度較原工藝提高37.5%，說(shuō)明分次支護(hù)可顯著提高巷道掘進(jìn)速度。

圖5 綜合礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

以青云煤業(yè)020204 軌道順槽掘進(jìn)支護(hù)為背景進(jìn)行巷道掘進(jìn)、支護(hù)工藝的優(yōu)化，結(jié)合其圍巖地質(zhì)條件采用“等效圓”原理確定頂板錨桿規(guī)格Ф18 mm×2400 mm，布置間排距1000 mm。根據(jù)巷道圍巖變形量變化曲線，設(shè)計(jì)分次支護(hù)時(shí)機(jī)，一次支護(hù)距迎頭0～5 m、二次支護(hù)距迎頭20～25 m、三次支護(hù)距迎頭35～40 m，結(jié)合其支護(hù)方案設(shè)計(jì)分次支護(hù)方案。通過(guò)數(shù)值模擬研究表明，分次支護(hù)可有效控制圍巖變形破壞，在020204 軌道順槽設(shè)計(jì)試驗(yàn)段并進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，分次支護(hù)條件下頂板、兩幫變形量較一次支護(hù)分別增大2.5 mm、1.7 mm，掘進(jìn)速率提高37.5%，分次支護(hù)方案在保障圍巖穩(wěn)定的前提下大大提高了掘進(jìn)速率，可在青云煤業(yè)推廣應(yīng)用。