巷道支護(hù)方案的優(yōu)化及效果評估

劉默儒

（山西西山礦業(yè)管理有限公司西坡分公司，山西 太原 030053）

引言

一直以來，綜采工作面巷道的支護(hù)質(zhì)量直接決定工作面的生產(chǎn)效率和安全性。近年來，我國煤炭開采面臨著開采深度加深、地質(zhì)條件更加復(fù)雜以及安全要求高的挑戰(zhàn)，而且隨著開采的進(jìn)行工作面煤層、巖層等條件處于動態(tài)變化狀態(tài)[1]。因此，為了煤礦綜采工作面的高效、安全生產(chǎn)，適應(yīng)煤炭行業(yè)更高挑戰(zhàn)的發(fā)展需求，需根據(jù)生產(chǎn)的進(jìn)行對巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 1203工作面工程概況

本文所研究礦井為斜井，其中主、副斜井的傾角為25°，主、副斜井的井筒長度均為724 m，著重對其2號煤層所屬的1203工作面（見表1）進(jìn)行研究。2號煤層的厚度為1.55~3.4 m，平均煤層厚度為2.19 m，煤層的普氏硬度為3。

表1 1203工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)探測，1203工作面瓦斯的相對涌出量為1.02 m3/t，絕對涌出量為2.28 m3/min，而且該礦井屬于低瓦斯礦井。經(jīng)對當(dāng)前支護(hù)方案下1203工作面巷道的圍巖應(yīng)力測定可知，巷道內(nèi)水平應(yīng)力是垂直應(yīng)力的2倍左右，且水平應(yīng)力為東西方向。結(jié)合當(dāng)前巷道現(xiàn)場情況，可斷定水平應(yīng)力是導(dǎo)致巷道巖層被破壞的主要原因。

目前，1203工作面巷道的支護(hù)方案為簡單的錨桿支護(hù)，其對應(yīng)的巷道問題如下：巷道巖層、煤層被嚴(yán)重風(fēng)化；巷道頂板出現(xiàn)嚴(yán)重的失穩(wěn)現(xiàn)象[2]。

為保證1203工作面巷道的安全、高效生產(chǎn)采用注漿錨索、高預(yù)緊力錨桿錨索以及兩幫錨索的新型支護(hù)方案。

2 巷道支護(hù)方案的優(yōu)化及數(shù)值模擬

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

頂板錨桿支護(hù)：選用左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，該錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，錨桿間距為9 500 mm，錨桿排間距為9 500 mm，并采用加長樹脂對其進(jìn)行錨固。在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上為頂板配鋼筋網(wǎng)進(jìn)行輔助支護(hù)，每片鋼筋網(wǎng)的長度為2 200 mm，寬度為1 300 mm，要求相鄰兩片鋼筋網(wǎng)的搭接寬度不得小于100 mm。此外，要求錨桿預(yù)緊力不得小于200 N·m。

頂板錨索支護(hù)：選用直徑為17.8 mm，長度為6.3 m的注漿錨索，要求錨索的間距為2 200 mm，錨索排的間距為2 400 mm，每排錨索的數(shù)量為2根，每根錨索采用3支樹脂錨固劑進(jìn)行錨固。此外，要求錨索的預(yù)緊力不得小于150 kN。

兩幫錨桿支護(hù)：選用左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，該錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，每根錨桿采用一支數(shù)值錨固劑進(jìn)行錨固。在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上為兩幫配鋼筋網(wǎng)進(jìn)行輔助支護(hù)，每片鋼筋網(wǎng)的長度為2 200 mm，寬度為1 300 mm，要求相鄰兩片鋼筋網(wǎng)的搭接寬度不得小于100 mm。此外，要求錨桿預(yù)緊力不得小于150 N·m。

1203工作面優(yōu)化支護(hù)后如下頁圖1所示。

圖1 1203工作面頂板及兩幫支護(hù)示意圖（單位：mm）

2.2 新舊支護(hù)方案的理論對比

為驗證新支護(hù)方案的效果及成本，本小節(jié)將采用數(shù)值模擬手段分別對巷道在新舊支護(hù)方案下巷道變形和錨桿受力情況進(jìn)行對比[3]。根據(jù)1203工作面巷道的地質(zhì)、煤層條件建立寬度為40 m，高度為30 m的巷道，并結(jié)合巖層力學(xué)參數(shù)在模型中的設(shè)置，得出新舊支護(hù)方案下巷道的變形對比如表2所示。

表2 1203巷道新舊支護(hù)方案下巷道變形的模擬對比mm

如表2所示，1203工作面巷道采用優(yōu)化支護(hù)方案后巷道兩幫、頂板以及底板的變形量明顯減?。欢?，采用優(yōu)化支護(hù)方案后巷道上下兩幫的變形量幾乎一致，說明巷道兩幫的整體性較好。此外，對新舊支護(hù)方案下錨桿、錨索的受力對比可知：在舊支護(hù)方案下其錨桿的受力已經(jīng)達(dá)到其屈服強(qiáng)度；而在新支護(hù)方案下，錨桿、錨索的最大受力均未達(dá)到其對應(yīng)的屈服強(qiáng)度。

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化的效果評估

本節(jié)將上述設(shè)計的新的支護(hù)方案應(yīng)用于現(xiàn)場試驗中，取試驗巷道的長度為100 mm。在實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，由于煤層的傾角為15°，導(dǎo)致現(xiàn)場對錨索進(jìn)行施工時存在一定的困難，故將新支護(hù)方案中錨索的角度更改為25°。而且，為了解決1203工作面巷道風(fēng)化嚴(yán)重的問題，在錨桿、注漿錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上在巷道表面噴射柔性混凝土，要求混凝土應(yīng)均勻噴射，最好將其厚度控制在75 mm左右[4]。

待1203工作面100 m試驗巷道支護(hù)施工結(jié)束后，采用GEL多點位移計對巷道變形量進(jìn)行測試，在試驗巷道內(nèi)設(shè)計兩個監(jiān)測站，每個監(jiān)測站安裝兩個位移計，分別對頂板和兩幫的位移量進(jìn)行測試，對比測試數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：

對原支護(hù)方案下采用GEL位移計測量頂板和兩幫的總變形量均分別超過100 mm（GEL位移計的量程為100 mm），說明在原支護(hù)方案下巷道頂板和兩幫的總變形大于100 mm；而在新支護(hù)方案下頂板的變形量為30 mm，兩幫的變形量為50 mm。

新舊支護(hù)方案下對應(yīng)巷道的實際支護(hù)效果對比如圖2所示，新支護(hù)方案下巷道的支護(hù)效果明顯優(yōu)于舊支護(hù)方案。

圖2 新舊支護(hù)方案下巷道效果對比

綜上所述，新支護(hù)方案明顯可對巷道圍巖進(jìn)行更好的控制，提升巷道的穩(wěn)定性，為后續(xù)安全、高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。