掘進(jìn)巷道頂板支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 鑫

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 壽陽045400）

隨著綜采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤礦井下的開采深度不斷增加，地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，特別是在礦壓波動(dòng)下的巷道頂板垮塌等日益嚴(yán)重，為了保障井下綜采作業(yè)的安全性，不得不采用加強(qiáng)巷道支護(hù)、增加支護(hù)點(diǎn)位的方式對綜采面頂板進(jìn)行全面支護(hù)，雖然在一定程度上的提升了煤礦井下巷道頂板的穩(wěn)定性，但不僅顯著增加了巷道支護(hù)的成本而且也降低了巷道頂板支護(hù)的效率，給煤礦井下的綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性造成了極大的影響。為了滿足各煤炭生產(chǎn)企業(yè)對井下綜采作業(yè)效率不斷提升的需求，本文提出了一種新的井下巷道頂板支護(hù)方式，以錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)為核心，輔以巷道圍巖深孔注漿加固技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對井下巷道圍巖的可靠支護(hù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明該支護(hù)方案具有結(jié)構(gòu)簡單、支護(hù)效率高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)支護(hù)方案相比，支護(hù)時(shí)的效率比優(yōu)化前提升了16.9%，支護(hù)成本降低了27.2%，優(yōu)化后巷道頂板的最大變形量比優(yōu)化前降低了75%，巷道兩幫的變形量比優(yōu)化前降低了25%，極大地提升了煤礦井下的綜采作業(yè)安全和綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 巷道頂板變形理論分析

以典型的深煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)為研究對象，其巷道頂板為砂巖、泥巖混合型結(jié)構(gòu)，多數(shù)屬于典型的厚煤層軟弱型復(fù)合頂板，基本頂中多為粗砂巖，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對較差，以此地形條件為基礎(chǔ)，假設(shè)巷道的斷面為半圓拱形結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的錨桿加強(qiáng)支護(hù)方案，支護(hù)錨桿選擇直徑為22 mm的錨桿，各錨桿之間的間距為600 mm×600 mm。利用FLAC數(shù)值分析的方式，模擬井下巷道礦壓波動(dòng)下對巷道頂板和巷道兩幫變形量和支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示，圖中1表示巷道深度為1 000 m，2表示巷道深度為900 m，3表示巷道深度為800 m，4表示巷道深度為700 m，5表示巷道深度為600 m，6表示巷道深度為500 m。

圖1 巷道頂板和兩幫變形量與支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可知，煤礦井下巷道頂板和兩幫的變形量均與支護(hù)強(qiáng)度成正比，支護(hù)強(qiáng)度越強(qiáng)，巷道頂板和兩幫的變形量越小，支護(hù)強(qiáng)度越弱，在礦壓波動(dòng)下的變形量越大，而且巷道深度越大，同等條件下的變形量就越大。由此分析可知，隨著深度的增加，在礦壓波動(dòng)下緊靠傳統(tǒng)的錨索支護(hù)方案無法滿足對支護(hù)穩(wěn)定性的需求?？梢酝ㄟ^在井下圍巖上鉆孔進(jìn)行注漿，提高頂板圍巖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抑制礦壓波動(dòng)下的裂縫的擴(kuò)展，提升巷道支護(hù)可靠性。

2 井下混合支護(hù)方案

根據(jù)對井下巷道在礦壓波動(dòng)下的變形情況的分析，本文提出了一種新的以錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)為核心，輔以巷道圍巖深孔注漿加固技術(shù)，該技術(shù)方案主要是分階段對巷道圍巖進(jìn)行加固，首先采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，防止出現(xiàn)巷道頂板冒頂，然后在錨固階段對巖壁進(jìn)行灌漿加固，滿足支護(hù)可靠性需求。

錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)是指在巷道的造殼成梁階段，利用錨桿和金屬護(hù)網(wǎng)，在巷道頂板形成可靠支護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主要目的是用來避免巷道發(fā)生片幫、頂板冒落等，同時(shí)還用于防止頂板和圍巖在礦壓波動(dòng)下出現(xiàn)過大的波動(dòng)，降低圍巖碎裂現(xiàn)象，延緩頂板碎裂，確保巷道綜采前期的穩(wěn)定性。支護(hù)完成后利用短錨索以及相應(yīng)的配件結(jié)構(gòu)在以上支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，錨固到井下巷道深處的巖層內(nèi)，建立頂板加強(qiáng)梁，形成一個(gè)具有較大承載能力的墻體，使其具有更高的承載能力，加強(qiáng)梁建立后對巷道圍巖進(jìn)行噴漿成巷處理。

當(dāng)巷道掘進(jìn)超過100 m后，開始對圍巖出現(xiàn)裂紋的地方進(jìn)行打孔注漿，利用鉆進(jìn)在巖壁上設(shè)置注漿孔，注漿孔的直徑設(shè)置為30 mm，注漿孔之間的距離設(shè)置為1 500 mm，每個(gè)區(qū)域設(shè)置7組注漿孔，注漿孔應(yīng)和圍巖成45°斜角，確保能有效的將不同層面上的裂紋進(jìn)行串聯(lián)起來，增強(qiáng)注漿加固的效果，注漿時(shí)注漿管路采用鍍鋅鋼管，注漿速度根據(jù)井下管路直徑靈活調(diào)整。注漿料采用硅酸鹽水泥材料，水灰配比按照1.0∶1.2進(jìn)行制備，待灌漿料充分凝固后利用長度較大的單體錨索，對巷道頂板更深處的巖層進(jìn)行固定，同時(shí)提升錨索的預(yù)拉力，使灌漿體和錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的承載體，有效提升對巷道頂板的支撐可靠性，該混合支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 煤礦井下巷道頂板混合支護(hù)方案

3 巷道頂板控制效果分析

為了對新型頂板支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行分析，在巷道內(nèi)設(shè)置大量位移傳感器，對不同控制方案下巷道頂板和兩幫的變形情況進(jìn)行監(jiān)測，井下巷道支護(hù)優(yōu)化前后的頂板和兩幫變化情況進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后巷道頂板和兩幫變形量對比

由圖3可知，優(yōu)化前巷道頂板的最大變形量約為160 mm，巷道兩幫的變形量約為80 mm，優(yōu)化后巷道頂板的最大變形量約為40 mm，比優(yōu)化前降低了75%，巷道兩幫的變形量約為60 mm，比優(yōu)化前降低了25%，由此表明采用優(yōu)化后的頂板支護(hù)方案，能夠有效的降低在綜采作業(yè)過程中頂板的變形量，提升巷道的穩(wěn)定性。由于采用了混合支護(hù)的方式，實(shí)現(xiàn)了對支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，降低了支護(hù)時(shí)對支護(hù)材料的使用量，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化后支護(hù)時(shí)的效率比優(yōu)化前提升了16.9%，支護(hù)成本降低了27.2%，極大的提升了井下巷道支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

針對目前井下巷道頂板支護(hù)方式復(fù)雜、效率低下，支護(hù)穩(wěn)定性差的缺陷，提出了一種新的井下巷道頂板支護(hù)方式，以錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)為核心，輔以巷道圍巖深孔注漿加固技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對煤井下巷道頂板支護(hù)安全性的有效提升，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）煤礦井下巷道頂板和兩幫的變形量均與支護(hù)強(qiáng)度成正比，支護(hù)強(qiáng)度越強(qiáng)，巷道頂板和兩幫的變形量越小，支護(hù)強(qiáng)度越弱，在礦壓波動(dòng)下的變形量越大，而且巷道深度越大，同等條件下的變形量就越大。

2）與傳統(tǒng)支護(hù)方案相比，新方案的支護(hù)時(shí)的效率比優(yōu)化前提升了16.9%，支護(hù)成本降低了27.2%，優(yōu)化后巷道頂板的最大變形量比優(yōu)化前降低了75%，巷道兩幫的變形量比優(yōu)化前降低了25%，極大的提升了煤礦井下的綜采作業(yè)安全和綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。