煤礦大斷面掘進(jìn)巷道圍巖支護(hù)優(yōu)化研究

武 強(qiáng)

（山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048400）

引言

為了提升掘進(jìn)效率、控制經(jīng)濟(jì)成本，通常將采區(qū)和區(qū)段的巷道設(shè)置在煤層中。隨著開采深度的不斷增加，煤層結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，主要特點(diǎn)為每層內(nèi)部裂紋密度大、頂板巖層硬度較低等，給大斷面煤層巷道支護(hù)帶來了極大的難度。一旦參數(shù)選取不合理，就會(huì)導(dǎo)致巷道支護(hù)變形量過大，阻礙巷道的正常掘進(jìn)作業(yè)。當(dāng)前眾多學(xué)者將研究方向集中在大斷面煤巷支護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，取得了一系列研究成果并應(yīng)用于實(shí)踐中取得了良好的效果。本文以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦集中回風(fēng)上山巷道為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有的支護(hù)方式進(jìn)行分析，總結(jié)出其中的不足之處，并設(shè)計(jì)了一種注漿錨索的優(yōu)化方式，減小了巷道圍巖的變形量，提升了巷道圍巖的控制效果。

1 集中回風(fēng)上山巷工作面地質(zhì)條件及原支護(hù)情況

1.1 工作面地質(zhì)條件

集中回風(fēng)上山主要用于采區(qū)的回風(fēng)，巷道地面標(biāo)高和底板標(biāo)高分別為+1 416 m 和+919.5 m，長(zhǎng)度為1 306 m，坡度為12°。巷道掘進(jìn)方向同山西組2 號(hào)煤層走向一致，2 號(hào)煤層均厚為5.5 m，煤層平均傾角為17°。煤層直接頂由泥巖組成，厚度為4 m；基本頂由砂質(zhì)泥巖組成，厚度為6.37 m；直接底由砂質(zhì)泥巖組成，厚度為2.6 m；基本底由細(xì)粒泥巖組成，厚度為9.6 m[1]。

1.2 原支護(hù)情況

巷道斷面形狀為半圓形，長(zhǎng)度和寬度分別為5.44 m和4.82 m?，F(xiàn)有的支護(hù)形式為錨網(wǎng)索噴支護(hù)。

1.2.1 錨桿支護(hù)

選取的錨桿直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm，每排錨桿的數(shù)量為15 根，每根錨桿采用2 根Z2835 樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，為了確保錨桿的支護(hù)作用，頂錨桿預(yù)緊力矩應(yīng)當(dāng)超過200N·m，相鄰錨桿間的間距為800 mm、排距為800 mm。增設(shè)鋼筋焊接網(wǎng)保護(hù)支護(hù)表面，焊接網(wǎng)長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為1 000 mm、2 000 mm 和6 mm，網(wǎng)格長(zhǎng)度和寬度均為100 mm。

1.2.2 錨索支護(hù)

選取普通錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索直徑為17.8 mm、長(zhǎng)度為6 500 mm，每排錨桿的數(shù)量為5 根，相鄰錨桿間的間距為1 200 mm、排距為1 600 mm，每根錨索采用4 根22360 和1 根CK2360 錨固劑進(jìn)行錨固，錨索錨固力應(yīng)當(dāng)超過120 kN[2]。

1.2.3 噴漿支護(hù)

噴漿選用C20 混凝土，巷道表面的噴漿厚度為120 mm。原支護(hù)參數(shù)斷面圖如圖1 所示。

圖1 原支護(hù)參數(shù)斷面圖（單位：mm）

集中回風(fēng)上山頂?shù)装鍑鷰r均為泥巖，具有圍巖整體性較差、硬度較低以及承載能力較差等特點(diǎn)。此外，由于巷道的走向和煤層一致，不同區(qū)域煤層厚度存在一定差異，因此厚度較大處頂板會(huì)出現(xiàn)一定的托頂煤現(xiàn)象，增大了巷道的變形量，提升了巷道的支護(hù)難度。當(dāng)前巷道作業(yè)區(qū)域圍巖破壞主要有以下特征：

1）巷道掘進(jìn)完畢第一周，圍巖變形速率在21～27 mm/d 之間，最大變形速率能夠達(dá)到105 mm/d，其中頂板的位移量能夠達(dá)到1.54 m，側(cè)幫的位移量能夠達(dá)到1.47 m。

2）巷道穩(wěn)定周期長(zhǎng)。根據(jù)變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道掘進(jìn)完畢后的持續(xù)變形周期在28～57 d 之間。

2 巷道變形原因分析及支護(hù)優(yōu)化

2.1 原支護(hù)存在問題分析

1）錨索長(zhǎng)度不足。巷道掘進(jìn)尺寸參考基準(zhǔn)為底板，因此煤層厚度較大處的錨索錨固深度難以滿足相關(guān)指標(biāo)，導(dǎo)致錨索整體穩(wěn)定性較差。

2）支護(hù)密度不夠，支護(hù)強(qiáng)度不足。兩幫未布置錨索，變形量難以控制。

3）支護(hù)失效現(xiàn)象普遍。圍巖整體性較差導(dǎo)致施加的預(yù)緊力出現(xiàn)一定程度的損失，巷道整體支護(hù)穩(wěn)定性較差，難以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)。

4）巷道掘進(jìn)方式影響。由于巷道沿煤層底板掘進(jìn)，因此部分區(qū)域存在一定厚度的頂煤，巷道掘進(jìn)過程中頂煤應(yīng)力分布發(fā)生變化，極易出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，降低支護(hù)方案的穩(wěn)定性。

2.2 圍巖變形控制思路

針對(duì)巷道現(xiàn)有支護(hù)方案的不足，設(shè)計(jì)出一種注漿錨索強(qiáng)力支護(hù)方案。方案通過提升錨桿索預(yù)緊力大小，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)；通過注漿的方式提升支護(hù)區(qū)域周圍圍巖的整體性，避免預(yù)緊力損失；通過預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固，增強(qiáng)圍巖的控制效果。優(yōu)化后的方案具有以下特點(diǎn)：

2.2.1 改善圍巖力學(xué)性能

煤層具有硬度較低、整體性較差等特點(diǎn)，在巷道的掘進(jìn)過程中極易出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。通過注漿的方式能夠提升圍巖的承載能力和抗剪能力，降低巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖變形的影響[3]。

2.2.2 降低圍巖松動(dòng)圈范圍

巷道掘進(jìn)過程中圍巖應(yīng)力分布發(fā)生改變，由三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，此外由于淺部圍巖出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象，巷道圍巖形成松動(dòng)圈。松動(dòng)圈的形成說明巷道圍巖承載能力不足，應(yīng)力超過許用應(yīng)力導(dǎo)致圍巖破碎，因此通過注漿的方式提升圍巖的承載能力，避免了松動(dòng)圈的出現(xiàn)。

2.2.3 避免風(fēng)化作用

通過注漿的方式對(duì)圍巖中的裂紋進(jìn)行填充，不僅在提升圍巖整體性的同時(shí)避免了裂紋和空氣的直接接觸，而且還降低了風(fēng)化侵蝕對(duì)圍巖力學(xué)性能的進(jìn)一步影響。

2.2.4 實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)

采取注漿錨索注漿加固的方式，顯著提升了圍巖的力學(xué)性能，減小了松動(dòng)圈的面積，避免了預(yù)緊力的損失，提升了圍巖和支護(hù)體的整體性，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)支護(hù)的目標(biāo)，提升了巷道整體的穩(wěn)定性。

2.3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

以現(xiàn)有支護(hù)方案的不足之處為基礎(chǔ)，依照圍巖變形控制相關(guān)理論，得出支護(hù)優(yōu)化方案斷面見圖2。

圖2 支護(hù)優(yōu)化方案斷面圖（單位：mm）

現(xiàn)有支護(hù)方式為普通錨桿、錨索支護(hù)，圍巖整體性較差導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力難以順利傳遞，支護(hù)失效現(xiàn)象出現(xiàn)的概率顯著提升，因此選取注漿錨索的方式提升圍巖的控制效果。

選用錨桿直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm，相鄰錨桿間的間距為800 mm、排距為800 mm。選用注漿錨索直徑為22 mm、長(zhǎng)度為8 500 mm，每排錨索的數(shù)量為9 根，頂板相鄰錨索間的間距為1 200 mm、排距為1 600 mm，幫部相鄰錨索間的間距為1 000 mm、排距為1 600 mm，每根錨索使用4 根Z2360 和1 根CK2360 錨固劑，錨索錨固力應(yīng)當(dāng)超過300 kN。

為提升圍巖裂隙的注漿效率，注漿材料采用P.O42.5 硅酸鹽水泥，添加劑選取波美度為37 的液體水玻璃。水泥漿的水灰質(zhì)量比為1∶1；水泥漿和水玻璃的體積比為1∶（0.25～0.5）。

3 圍巖控制效果

為了檢測(cè)優(yōu)化后的支護(hù)方案對(duì)圍巖的實(shí)際控制效果，通過在掘進(jìn)工作面布置位移觀測(cè)點(diǎn)的方式，對(duì)巷道掘進(jìn)后的頂板、兩幫和底板變形量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，巷道圍巖變形情況如下頁圖3 所示。

1）隨著掘進(jìn)工作面和測(cè)點(diǎn)距離的增加，巷道變形量逐漸增加，掘進(jìn)30 m 后變形量逐漸穩(wěn)定。穩(wěn)定后的頂板、兩幫和底板變形量分別為20 mm、71 mm 以及21 mm。

2）根據(jù)下頁圖3 測(cè)得數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道變形量得到有效控制，相較于現(xiàn)有支護(hù)方案，圍巖變形量下降超過80%，由此可見該支護(hù)方案支護(hù)效果較好。

圖3 巷道圍巖變形情況

4 結(jié)語

以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦掘進(jìn)巷道為研究對(duì)象，針對(duì)巷道現(xiàn)有支護(hù)方案存在的變形量較大等問題，提出了一種注漿錨索的支護(hù)方案，降低了圍巖的變形量。通過觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置對(duì)于優(yōu)化后的支護(hù)方案支護(hù)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形量顯著下降。相較于原有支護(hù)方案圍巖變形量降低了80%以上，由此可見優(yōu)化后的支護(hù)方案實(shí)際支護(hù)效果較好。