快速掘進(jìn)條件下回采巷道支護(hù)優(yōu)化研究

賈雨

【摘 要】 采掘接替緊張制約礦井高效生產(chǎn)，急需提升巷道掘進(jìn)效率來緩解上述問題，然而傳統(tǒng)巷道支護(hù)技術(shù)存在耗時(shí)長、支護(hù)效率低等問題，不能滿足巷道快速掘進(jìn)需要，為此文章提出采用柔性錨桿替代傳統(tǒng)錨網(wǎng)索對頂板進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，提高巷道支護(hù)效率，從而實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)。研究表明：1）柔性錨桿可以給巷道頂板提供足夠的支持強(qiáng)度，降低巷道支護(hù)耗時(shí)，達(dá)到快速掘進(jìn)的目的;2）優(yōu)化后的頂板錨桿數(shù)量顯著降低，排距由1.1m提升至1.5m;3）頂板巖層破碎圈分布在1.0m以內(nèi)最大下沉量在12mm，圍巖變形不會給巷道正常使用帶來不利影響;4）巷道掘進(jìn)進(jìn)尺由450m/月提升至550m/月，提升率為21.7%，巷道綜合支護(hù)成本降低12%。采用柔性錨桿對回采巷道支護(hù)優(yōu)化，不僅可以確保巷道圍巖穩(wěn)定，而且提升了巷道掘進(jìn)效率，具有一定的推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】 巷道掘進(jìn);掘錨機(jī);柔性錨桿;聯(lián)合支護(hù);快速掘進(jìn)

【中圖分類號】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）04-0004-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

采掘接替緊張是礦井生產(chǎn)過程中面臨的現(xiàn)實(shí)問題，針對巷道掘進(jìn)效率低、速度慢問題，眾多的研究學(xué)者展開了研究，其中王玉寶等對制約山西西山礦區(qū)巷道快速掘進(jìn)影響因素進(jìn)行分析，提出具體改進(jìn)措施;楊云鋼等提出提高巷道掘進(jìn)及支護(hù)機(jī)械化水平實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn);王同旭等認(rèn)為巷道支護(hù)強(qiáng)度與支護(hù)參數(shù)有密切關(guān)系，通過優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)在確保巷道圍巖穩(wěn)定的前提下提升巷道支護(hù)效率。巷道掘進(jìn)效率及回采推進(jìn)速度間的不匹配儼然已經(jīng)成為制約礦井高效生產(chǎn)的瓶頸，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)巷道支護(hù)耗時(shí)占據(jù)整個掘進(jìn)生產(chǎn)耗時(shí)約70%，為了提升巷道掘進(jìn)效率，需提高支護(hù)效率降低支護(hù)耗時(shí)。為此文中提出采用高預(yù)緊力長錨固技術(shù)來替代傳統(tǒng)的螺紋鋼錨桿及鋼架線錨索支護(hù)，在保證巷道支護(hù)強(qiáng)度的前提下降低支護(hù)耗時(shí)，實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)。

1工程概況

山西某礦開采2號煤層埋深615～658m，煤厚平均2.71m，傾角2°，21305回采工作面開采2號煤層，具體采面頂?shù)装鍘r性見圖1。

21305回風(fēng)巷為矩形巷道，寬、高分別為5.4m、3.35m，采用MB670掘錨機(jī)一次成巷掘進(jìn)，基本實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、支護(hù)平行作業(yè)，月進(jìn)尺450m，巷道掘進(jìn)速度不能滿足采面高效回采需要。因此，文中以21305回風(fēng)巷為工程研究對象，通過對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，來提高巷道掘進(jìn)速度。

2巷道原支護(hù)方案

21305回風(fēng)巷原采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式見圖2。

頂板錨桿為左旋螺紋鋼（φ22mm×2500mm），間距為900mm、1000mm、1000mm、1000mm、900mm，共布置6根;錨索為鋼絞線（φ21.8mm×7200mm），間排距1500mm×1500mm。鋼筋梁采用φ6.5mm圓鋼制作，長、寬分別為5500mm、1100mm。巷幫分別采用4根與頂板一樣的錨桿支護(hù)，間排距為900mm×1100mm。巷道采用的支護(hù)方式雖然能滿足圍巖控制需要，但是錨索、錨桿數(shù)量多，整個支護(hù)過程仍耗費(fèi)大量時(shí)間，因此，提出采用高預(yù)緊力錨固技術(shù)來對巷道頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，降低支護(hù)耗時(shí)。

3巷道支護(hù)優(yōu)化

3.1高預(yù)緊力錨固技術(shù)概述

該技術(shù)支護(hù)采用的柔性錨桿工作效率及支護(hù)性能可以較普通螺紋鋼錨桿提升3倍以上。采用的柔性錨桿具有支護(hù)能力強(qiáng)、預(yù)緊力高、承載力強(qiáng)、工藝性能良好，對巷道圍巖變形具有較強(qiáng)的控制能力等優(yōu)點(diǎn)。在21305回風(fēng)巷支護(hù)選用的柔性錨桿為1×19股鋼絞線（1+9+9），錨桿參數(shù)為：桿體直徑φ=21.8mm;桿體延伸率δ=7%;桿體強(qiáng)度fst=1860MPa;拉斷載荷N≥580kN;預(yù)緊力FN=250kN。

3.2支護(hù)優(yōu)化

采用柔性錨桿替代原有的錨網(wǎng)索支護(hù)方式，并采用工程類比法確定巷道支護(hù)參數(shù)：在頂板布置4根φ21.8mm×4000mm，兩側(cè)錨桿距離巷幫650mm，錨桿間距為1057mm、1986mm、1057mm，錨桿施工完畢后提供的預(yù)緊力在250kN以上，錨桿排距為1500mm;為了進(jìn)一步提升頂板巖層穩(wěn)定性，在頂板中部增設(shè)一根φ22mm×2500mm錨桿。巷幫支護(hù)方式不變，錨桿排距從1100mm增加至1500mm。優(yōu)化后的頂板支護(hù)參數(shù)見圖3。

3.3支護(hù)參數(shù)校核

3.3.1錨桿長度

21305回風(fēng)巷為矩形巷道，頂板巖層較為穩(wěn)定，按照組合梁理論對錨桿支護(hù)長度（l）進(jìn)行校核，具體計(jì)算公式為：l=l1+l2+l3（1）

l1～l3分別表為錨桿外露長度（0.3m）、有效長度以及錨固長度（取值1.4m）。

其中：m1表示巷道頂板最下層巖層厚度（取值0.35m）;Ki表示安全系數(shù)（取值8～10）;pi表示巖層垂向均布載荷（kN/m3）;σi表示頂板最下層巖層抗拉強(qiáng)度（MPa）。

根據(jù)21305回風(fēng)巷上覆巖層巖性，計(jì)算求得a≤2096mm。設(shè)計(jì)的錨桿最大間距為1986mm

4優(yōu)化效果分析

4.1圍巖裂隙擴(kuò)展情況

采用鉆孔窺視儀（ZKXG30）對優(yōu)化后的圍巖裂隙發(fā)育、頂板離層以及圍巖破碎程度進(jìn)行觀測，具體結(jié)果見圖4。

從窺視結(jié)果得出，鉆孔0.5m以內(nèi)均為泥巖，0.5～0.75m間為粉砂巖，0.75m以上大部分為泥巖，部分夾雜有砂巖。頂板上所有的破碎區(qū)以及層間離層均出現(xiàn)在頂板上覆1.0m以內(nèi)，具體離層位置為頂板上覆0.16m、0.23m、0.73m以及0.95m處，離層量較小;在頂板上覆1～10m范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有離層以及裂隙發(fā)育情況。

4.2圍巖變形

對優(yōu)化支護(hù)后的圍巖變形監(jiān)測，在滯后掘進(jìn)迎頭100m范圍內(nèi)頂板下沉速率較快，在滯后迎頭120m范圍內(nèi)巷幫變形速率較快，頂板、巷幫最終變形量穩(wěn)定在12mm、16mm，整體變形量較小，不會給巷道正常使用帶來不利影響。具體優(yōu)化支護(hù)后的頂板、巷幫現(xiàn)場圖見圖5。

4.3巷道掘進(jìn)進(jìn)尺

對21305回風(fēng)巷支護(hù)優(yōu)化后掘進(jìn)進(jìn)尺介于21～31.5m/d，平均為25.3m/d，每班巷道頂板支護(hù)時(shí)間縮短1.5h以上，月平均進(jìn)尺量達(dá)到560m，較支護(hù)優(yōu)化前的460m增加100m。這表明，采用高預(yù)緊力長錨固技術(shù)對巷道支護(hù)優(yōu)化、提高巷道支護(hù)效率以及巷道掘進(jìn)進(jìn)尺具有顯著的促進(jìn)作用，在礦井具有顯著的推廣應(yīng)用價(jià)值。

5總結(jié)

采用高預(yù)緊力長錨固技術(shù)替代傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索對巷道頂板支護(hù)優(yōu)化，頂板錨固層厚度由2.4m增加至3.7m，頂板支護(hù)強(qiáng)度由0.08MPa提升至0.12MPa，圍巖裂隙圈發(fā)育深度控制在1.0m以內(nèi)，強(qiáng)化了巷道頂板巖層控制;通過對巷道頂板支護(hù)優(yōu)化，每班減少支護(hù)耗時(shí)1.5h以上，巷道月進(jìn)尺量由平均460m提升至560m，提升率為21.7%，同時(shí)降低了巷道支護(hù)成本，綜合統(tǒng)計(jì)每米可降低90元支護(hù)費(fèi)用，成本降低幅度為12%。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王業(yè)旺.葫蘆素煤礦21405運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及快速掘進(jìn)研究[J].煤，2020，29（2）：15-17.

[2]梁俊琦.回采巷道快速掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)[J].內(nèi)蒙古石油化工，2019，45（7）：84-85.

[3]秦莉波.燕子山煤礦煤巷快速掘進(jìn)施工方案優(yōu)化[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2019，35（6）：112-114.

[4]王中財(cái)，曲延倫.厚煤層大斷面煤巷快速掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)研究[J].中國煤炭，2019，45（6）：35-37.

[5]魯喜輝，艾川，張農(nóng)，等.高預(yù)緊長錨固技術(shù)在葫蘆素煤礦的研究與應(yīng)用[J].煤炭工程，2017，49（12）：69-72.

[6]王玉寶，單仁亮，蔡煒凌，等.西山礦區(qū)煤巷掘進(jìn)速度影響因素因子分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（6）：925-929.

[7]楊云剛.煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，29（2）：7-8.

[8]王同旭，秦忠誠，李旭健.巖巷高效快速施工綜合技術(shù)與工藝[J].礦山壓力與頂板管理，2002（1）：49-50.