煤礦巷道快速掘進(jìn)中的支護(hù)技術(shù)研究

陸彥偉

（大同煤礦集團(tuán)宏泰礦山工程建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037001）

引言

隨著我國(guó)對(duì)煤礦安全的重視程度逐漸提升，對(duì)工作面巷道支護(hù)的研究越來(lái)越多，巷道支護(hù)水平得到了顯著加強(qiáng)[1-2]。另一方面，當(dāng)前階段工作面巷道掘進(jìn)速度越來(lái)越快，為配合快速掘進(jìn)的需要，對(duì)巷道支護(hù)的要求越來(lái)越高。巷道支護(hù)質(zhì)量和效果會(huì)在很大程度上影響工作面掘進(jìn)速度[3-4]。因此，在保障煤礦井下安全的前提下，盡量配合快速掘進(jìn)需要，有必要對(duì)工作面巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和研究，以提升工作面巷道的支護(hù)水平。本文在分析煤礦工作面巷道圍巖性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道提出了管棚超前支護(hù)方案。

1 煤層巷道概況

煤礦的3 號(hào)煤層工作面為礦井的首采工作面。工作面總體長(zhǎng)度為1 500 m 左右，埋深在100～200 m范圍內(nèi)。巷道斷面為圓拱形，其中寬度為4.5 m，直墻部分的高度為1.8 m，中間圓拱最高部位的高度為3.85 m。對(duì)巷道附近圍巖性質(zhì)進(jìn)行了勘察分析，發(fā)現(xiàn)以高嶺石、蒙脫石混層以及伊利石為主。這幾類(lèi)巖石均有強(qiáng)烈的親水性，遇到水時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹。與此同時(shí)，圍巖裂隙節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致巷道附近圍巖經(jīng)常遭遇淋水，進(jìn)而導(dǎo)致巖石膨脹軟化。總之，煤礦工作面巷道附近圍巖以軟弱泥質(zhì)為主，不利于工作面掘進(jìn)過(guò)程的穩(wěn)定性，如果不進(jìn)行處理可能會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。因此，必須采取有效措施對(duì)工作面巷道進(jìn)行支護(hù)，以確保掘進(jìn)過(guò)程安全。

2 快速掘進(jìn)巷道支護(hù)方案的確定

在充分考慮巷道圍巖軟弱泥質(zhì)的巖性特點(diǎn)以及巷道快速掘進(jìn)需求的基礎(chǔ)上，選用超前支護(hù)方案對(duì)工作面巷道進(jìn)行支護(hù)。這種支護(hù)方案就是在對(duì)煤層進(jìn)行正式掘進(jìn)前，沿著巷道方向設(shè)置一個(gè)類(lèi)似拱殼的連續(xù)體，實(shí)現(xiàn)巷道前方圍巖加固的效果，避免工作面掘進(jìn)過(guò)程中圍巖發(fā)生變形。大量理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，通過(guò)超前支護(hù)能夠有效避免工作面巷道的變形問(wèn)題。另外，工作面巷道頂板存在顯著的淋水問(wèn)題，所以通過(guò)管棚法實(shí)施超前支護(hù)。通過(guò)這種方法進(jìn)行施工時(shí)，管棚不僅能夠起到支護(hù)作用，還能對(duì)頂板圍巖中的水起到導(dǎo)流的效果。當(dāng)圍巖中出現(xiàn)大量的水時(shí)，可通過(guò)管棚將這些水引導(dǎo)到管棚口，然后對(duì)其進(jìn)行集中處理。

3 快速掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)參數(shù)的研究

3.1 支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

1）管棚規(guī)格設(shè)計(jì)。管棚長(zhǎng)度會(huì)對(duì)超前支護(hù)效果產(chǎn)生重要影響。在工程實(shí)踐中，必須充分結(jié)合實(shí)際情況確定管棚長(zhǎng)度。可通過(guò)下述公式計(jì)算管棚長(zhǎng)度：L=1.5+Hcotφ，其中L 和H 分別表示管棚長(zhǎng)度和圍巖坍落高度，φ 表示圍巖內(nèi)摩擦角?；谇捌趪鷰r性質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，取圍巖坍落高度和內(nèi)摩擦角分別為2.51 m和26.21°，可以計(jì)算得到管棚長(zhǎng)度為5.6 m?？紤]到頂板圍巖的巖性比較差，為安全起見(jiàn)最終選擇管棚長(zhǎng)度為6 m。本研究中利用壁厚和外徑分別為5 mm和50 mm 的無(wú)縫鋼管作為管棚支護(hù)，長(zhǎng)度為3 m。不同鋼管之間通過(guò)絲扣進(jìn)行連接，絲扣長(zhǎng)度不得低于100 mm。為方便導(dǎo)入，在第一節(jié)鋼管中將其中一端加工成錐形，且斜面朝上進(jìn)行安裝，方便水流進(jìn)入鋼管內(nèi)部。如圖1 所示為鋼管的大樣圖。

圖1 鋼管的大樣圖（單位：mm）

2）管棚位置參數(shù)。管棚開(kāi)口位置應(yīng)盡可能接近工作面巷道掘進(jìn)輪廓線，但又不得對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)程造成不良影響。最終確定鋼管中心線距離巷道掘進(jìn)輪廓線300 mm。在確定環(huán)向間距時(shí)需要考慮的因素是多方面的，主要包括頂板圍巖的性質(zhì)、支護(hù)精度要求以及施工過(guò)程控制質(zhì)量等。通常情況下，環(huán)向間距大小在鋼管長(zhǎng)度的1/600～1/250 范圍內(nèi)。實(shí)際使用時(shí)的間距大概為300～500 mm 左右。本文基于實(shí)際需要最終將環(huán)向間距確定為300 mm，也就是沿著巷道掘進(jìn)輪廓線方向，兩根鋼管中心線之間的距離控制為300 mm。管棚長(zhǎng)度通常都非常長(zhǎng)，鉆孔過(guò)程中鉆頭在重力作用下會(huì)沿著重力方向下垂，當(dāng)下垂到一定程度時(shí)，可能會(huì)穿過(guò)工作面巷道掘進(jìn)輪廓線。為避免此問(wèn)題，通常在鉆孔施工時(shí)，會(huì)遠(yuǎn)離工作面巷道掘進(jìn)輪廓線一定角度進(jìn)行鉆孔。通過(guò)這樣的方式抵消鉆頭下垂造成的越界現(xiàn)象。根據(jù)鉆孔深度不同，仰角通常設(shè)置在1°～5°左右。當(dāng)圍巖中的含水量較多時(shí)，可適當(dāng)加大仰角，便于水在鋼管內(nèi)部的流動(dòng)。本方案中最終確定的仰角為5°。

3.2 注漿和噴漿加固參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.2.1 注漿施工技術(shù)參數(shù)

通過(guò)注漿能夠顯著提升工作面巷道圍巖強(qiáng)度。在泵壓作用下漿液能沿著圍巖縫隙進(jìn)行充填，通過(guò)對(duì)縫隙的補(bǔ)充提升整體圍巖強(qiáng)度。對(duì)縫隙進(jìn)行填充后還能有效阻擋圍巖內(nèi)部水的流動(dòng)，避免水對(duì)巷道圍巖造成的沖刷作用。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巷道圍巖受力不均勻時(shí)，U 形棚管會(huì)發(fā)生扭曲變形問(wèn)題，使支護(hù)效果大打折扣。在完成U 形棚搭設(shè)工作后，如果能再配合注漿、噴漿施工，則可以有效改善U 形棚管的受力狀態(tài)，使之更加均勻，從整體上提升支護(hù)效果。

注漿配合比會(huì)顯著影響漿液性能，進(jìn)而影響最終注漿效果。本方案在充分考慮已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上最終選擇水灰質(zhì)量比為1∶1，雙漿體積比為0.04∶1。在實(shí)地施工過(guò)程中，每個(gè)區(qū)域的圍巖性質(zhì)會(huì)存在一定程度的差異。需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)水灰比和雙漿體積比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使之更好地滿足實(shí)際使用需要。

巷道表層軸向滲透距離一般在2～3 m 左右。在方案設(shè)計(jì)時(shí)為了確保最終的效果，需要取0.65～0.75的系數(shù)。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)，最終確定的注漿孔間距和排距應(yīng)該在1.2～2.2 m 左右。另一方面，為了施工和操作的便捷性，注漿孔的間排距通常取U 形棚管間距的整數(shù)倍，以2～3 倍為宜。綜合以上各方面因素，最終確定注漿孔間距和排距全部為1.6 m。注漿深度是影響支護(hù)效果的重要參數(shù)，在設(shè)置注漿深度時(shí)，需要考慮支護(hù)強(qiáng)度大小、巷道圍巖性質(zhì)以及漿液在圍巖中的擴(kuò)散能力等多方面因素?；诠ぷ髅嫦锏绹鷰r實(shí)際情況，將注漿深度設(shè)置為1.5 m。如圖2 所示為掘進(jìn)工作面巷道注漿管布置斷面圖。注漿過(guò)程中必須將注漿壓力嚴(yán)格控制在2～2.5 MPa 范圍內(nèi)，底角注漿過(guò)程中壓力不得超過(guò)3 MPa。

圖2 掘進(jìn)工作面巷道注漿管布置斷面圖（單位：mm）

3.2.2 噴漿施工技術(shù)參數(shù)

結(jié)合掘進(jìn)工作面巷道圍巖屬性，通過(guò)初噴、滯后復(fù)噴的方式進(jìn)行噴漿處理，厚度分別控制在5 cm 和10 cm，在開(kāi)展復(fù)噴工作前用高壓水對(duì)初噴面進(jìn)行沖洗。巷道在完成快速掘進(jìn)后，馬上對(duì)巷道周邊進(jìn)行噴漿處理。通過(guò)噴漿處理能夠有效防止頂板中的水滲入到巷道內(nèi)。還可有效避免巷道頂板巖石掉落。初噴施工厚度不是很大，對(duì)工作面掘進(jìn)速度不會(huì)產(chǎn)生較大影響。在掘進(jìn)機(jī)后方開(kāi)展滯后復(fù)噴工作，與滯后注漿同時(shí)進(jìn)行，可以顯著提升施工速度。

4 實(shí)踐效果分析

將本文設(shè)計(jì)的煤礦巷道快速掘進(jìn)超前支護(hù)技術(shù)方案應(yīng)用到實(shí)踐中。在掘進(jìn)工作面巷道內(nèi)部設(shè)置了兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中通過(guò)“十”字布點(diǎn)法測(cè)量巷道的變形情況。在前面10 d范圍內(nèi)，每天進(jìn)行1 次監(jiān)測(cè)。10 d 以后每周進(jìn)行1～2次監(jiān)測(cè)，持續(xù)進(jìn)行了1 個(gè)月的變形情況監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖3。從圖示的變化曲線中可以看出，2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頂板最大下沉量分別為141.03 mm 和133.98 mm，頂板和底板間的移近量分別為189.09 mm 和208.00 mm。對(duì)于此兩項(xiàng)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)頂板的變形量比底板的變形量要大。2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩幫的移近量最終值分別為136.29 mm 和138.02 mm?；趯?shí)踐檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)方案能夠滿足實(shí)際使用需要，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

在充分考慮煤礦工作面巷道圍巖性質(zhì)的基礎(chǔ)上，考慮工作面快速掘進(jìn)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)研究了巷道超前支付方案，具體為棚管支護(hù)、注漿、噴漿處理。詳細(xì)設(shè)計(jì)了超前支護(hù)方案中的技術(shù)參數(shù)。將本文設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)方案應(yīng)用到實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工作面巷道頂?shù)装宓淖畲笠平繛?08 mm，兩幫的最大移近量為138.02 mm。該方案達(dá)到了理想的效果，確保了工作面巷道的安全。

圖3 2 個(gè)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間推移的變量情況統(tǒng)計(jì)