綜采工作面回采巷道錨網(wǎng)索分次支護(hù)工藝研究

王彥斌

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

1 概況

郭莊煤礦地表地勢(shì)平緩，為風(fēng)積沙地貌，井田面積11.75 km2,采用立井單水平開(kāi)拓方式，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組。3310工作面煤層厚度3.4～4.6 m，開(kāi)采深度345 m，開(kāi)采過(guò)程中巷道圍巖穩(wěn)定性較好。3310輔運(yùn)順槽斷面形式為矩形，寬度為5.7 m，高度3.8 m，掘進(jìn)時(shí)沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層為典型的層狀結(jié)構(gòu)。3310輔運(yùn)順槽巷道采用掘錨一體化、錨桿和錨索一次支護(hù)成型綜掘工藝，但支護(hù)工序?qū)嵤r(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)粗略統(tǒng)計(jì)，巷道支護(hù)時(shí)間占了掘進(jìn)正規(guī)循環(huán)時(shí)間的65%左右。為了提升回采巷道掘進(jìn)效率，結(jié)合巷道圍巖特性，研究分次支護(hù)工藝，在保證巷道圍巖穩(wěn)定的同時(shí)，縮短支護(hù)所需時(shí)間。

2 巷道錨網(wǎng)索分次支護(hù)原理

巷道錨網(wǎng)索分次支護(hù)與一次支護(hù)相比，主要不同點(diǎn)在于體現(xiàn)了巷道成型過(guò)程的時(shí)空效應(yīng)，根據(jù)巷道掘進(jìn)時(shí)不同時(shí)段圍巖的形變特點(diǎn)以及巷道支護(hù)前后圍巖的穩(wěn)定情況，將一次成型支護(hù)分解為多個(gè)分次支護(hù)，并保證巷道圍巖穩(wěn)定。分次支護(hù)原理如圖1所示[1]，其中ad為一次支護(hù)方式，ab為分次支護(hù)的第一階段，在掘進(jìn)階段實(shí)施，目的是保證巷道圍巖形變保持在安全范圍內(nèi)，bc為分次支護(hù)的第二段支護(hù)，為掘進(jìn)后的巷道支護(hù)。

圖1 巷道圍巖形變與支護(hù)關(guān)系

巷道掘進(jìn)在時(shí)空效應(yīng)作用下，開(kāi)挖面附近的圍巖應(yīng)力釋放不大，相應(yīng)的圍巖形變量也很小[2]，在該階段進(jìn)行巷道開(kāi)挖面支護(hù)，只需要少數(shù)的錨桿支護(hù)即可保持圍巖穩(wěn)定，并能保證支護(hù)圍巖形變量不再增加。然后繼續(xù)進(jìn)行巷道開(kāi)挖掘進(jìn)，隨著巷道開(kāi)挖的深入，已進(jìn)行一段支護(hù)的巷道空間效應(yīng)降低，雖有錨桿支護(hù)，但內(nèi)部應(yīng)力增大，圍巖形變量也有增大趨勢(shì)，此時(shí)再對(duì)斷面進(jìn)行第二階段支護(hù)，延續(xù)巷道圍巖穩(wěn)定。按照這樣的分次支護(hù)工藝，不僅能夠大大降低支護(hù)時(shí)間占比，還能提升巷道掘進(jìn)效率，而成型的巷道穩(wěn)定性與一次支護(hù)工藝并無(wú)明顯不同。

3 錨網(wǎng)索分次支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 巷道分次支護(hù)時(shí)機(jī)確定

郭莊煤礦3310輔運(yùn)順槽掘進(jìn)分次支護(hù)時(shí)機(jī)是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道圍巖形變量，分析形變速率后確定的[3]。實(shí)測(cè)點(diǎn)布置在距掘進(jìn)工作面50 cm處，采用三角形布點(diǎn)法[4]將監(jiān)測(cè)傳感器分別安裝在巷道頂板和兩幫處。統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制圍巖形變速率與掘進(jìn)面距離關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 3310工作面巷道圍巖形變速率與距掘進(jìn)面距離曲線

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示巷道頂板最大變形速率為3.76 mm/d，巷道兩幫最大變形速率為2.6 mm/d。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)3310輔運(yùn)順槽在距開(kāi)挖面距離60 m處，圍巖形變速率趨于穩(wěn)定。在0～10 m范圍內(nèi)，無(wú)論是頂部還是兩幫形變速率都非常大，因此第一次支護(hù)選擇在距工作面0～10 m處，通過(guò)錨桿支護(hù)，最大程度限制圍巖形變，為工作面安全掘進(jìn)提供條件；第二次支護(hù)選擇在距工作面25 m處，該處的圍巖形變速率為10～30 m的中間值，支護(hù)方式為在巷道兩幫補(bǔ)打錨桿；第三次支護(hù)選擇在53 m處，采用錨索支護(hù)。除第一次支護(hù)外的其他兩次支護(hù)都能夠在不影響掘進(jìn)施工的情況下進(jìn)行，能有效提高快速掘進(jìn)施工速度。

3.2 巷道分次支護(hù)工序及支護(hù)參數(shù)

分次支護(hù)工序?yàn)椋喊踩珯z查→掛網(wǎng)連網(wǎng)→臨時(shí)支護(hù)→定孔位→鉆孔→裝填樹(shù)脂藥卷→安裝錨桿（索）→緊固錨桿（索）[5]。頂板錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨桿采用?18 mm×2 200 mm規(guī)格D的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，錨桿的拉拔力不能低于60 kN，最邊角的兩根錨桿要與垂直方向有10°左右的夾角，以提升錨桿的支護(hù)能力；網(wǎng)片鋼筋網(wǎng)規(guī)格為?6.5 mm×150 mm×150 mm，托板采用150 mm×150 mm×10 mm規(guī)格拱形金屬板，采用Z2350型樹(shù)脂錨固劑固定。兩幫采用?16 mm×1 800 mm規(guī)格左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1 200 mm×1 000 mm，設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度為600 mm。支護(hù)設(shè)計(jì)布置如圖3所示。

圖3 3310工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)布置

4 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證分次支護(hù)效果，選擇了3310工作面輔運(yùn)順槽兩個(gè)100 m進(jìn)行圍巖形變量、錨桿軸力和頂板離層數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)段設(shè)置三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面相互間距20 m，監(jiān)測(cè)段如圖4所示，分別距離掘進(jìn)面30 m、50 m、70 m。其中試驗(yàn)段1采用的是一次成型支護(hù)工藝，錨桿和錨索支護(hù)工藝基于傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)；試驗(yàn)段2則采用分次支護(hù)方式，依照前文的支護(hù)方案完成掘進(jìn)和支護(hù)工藝實(shí)施。

圖4 試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)斷面布置

4.1 頂板離層監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)采用分次支護(hù)后3310工作面輔運(yùn)順槽頂板離層情況，利用多點(diǎn)離層位移計(jì)對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)段巷道多點(diǎn)位置進(jìn)行離層量監(jiān)測(cè)[6]，多點(diǎn)離層位移計(jì)設(shè)置在巷道支護(hù)錨桿的中間區(qū)域，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置方案為：每間隔15 m進(jìn)行一組監(jiān)測(cè)，每組監(jiān)測(cè)設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，位置分別為距離頂板0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m和5.0 m。

4.2 巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)采用分次支護(hù)工藝后巷道圍巖變形量，采用JDS430S型收斂計(jì)對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)段巷道進(jìn)行變形量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方案如圖5所示，布置采用三角形分布規(guī)則[7]，設(shè)置三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，分別布置在巷道的頂部和兩幫，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)組間隔距離為15 m，每組共有4個(gè)測(cè)點(diǎn)。收斂計(jì)需要深入到圍巖內(nèi)部[8]，因此在裝設(shè)收斂計(jì)時(shí)需要在監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔，孔徑為?28 mm，鉆孔深度為150 mm，將?18 mm、長(zhǎng)150 mm的鋼筋鉤用樹(shù)脂錨固劑錨固入孔中。

圖5 收斂計(jì)布置

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段圍巖形變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，繪制圖如圖6所示。兩種不同的支護(hù)方式下，圍巖形變量均在距離掘進(jìn)面40 m左右達(dá)到最大，巷道逐步穩(wěn)定，但無(wú)論是頂板還是兩幫，分次支護(hù)工藝下的形變量都比一次支護(hù)工藝下的形變量大，其中頂板約增大3.0 mm，兩幫約增大2.0 mm。分析原因?yàn)椋悍执沃ёo(hù)工藝本質(zhì)上是一種快速掘進(jìn)支護(hù)工藝，主要優(yōu)勢(shì)在于大大降低支護(hù)占用巷道掘進(jìn)正規(guī)循環(huán)的總時(shí)間，所以在掘進(jìn)過(guò)程中允許巷道圍巖產(chǎn)生一定形變，在不影響巷道穩(wěn)定安全的形變范圍內(nèi)延后支護(hù)；一次支護(hù)工藝則是直接限制巷道圍巖形變，因此分次支護(hù)的圍巖形變量大于一次成巷支護(hù)工藝，而兩幫的錨桿滯后支護(hù)，形變量自然大一些，分次支護(hù)的工藝核心在于控制形變?cè)诎踩秶鷥?nèi)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)，采用一次支護(hù)成型工藝，3310輔運(yùn)順槽掘進(jìn)速度為52.5 m/d，正規(guī)作業(yè)循環(huán)率為90%，按照每月30個(gè)工作日計(jì)算，每月掘進(jìn)進(jìn)度為1 417.5 m；分次支護(hù)工藝下，3310工作面掘進(jìn)速度提升為61.5 m/d，正規(guī)作業(yè)循環(huán)率為96%，每月掘進(jìn)進(jìn)度為1 771.2 m，掘進(jìn)效率提升了25%，分次支護(hù)工藝的價(jià)值得以體現(xiàn)。

圖6 分次支護(hù)和一次支護(hù)工藝圍巖變形量對(duì)比

5 結(jié)論

郭莊煤礦3310輔運(yùn)順槽巷道采用分次支護(hù)工藝，通過(guò)研究形成以下結(jié)論：

1）分次支護(hù)工藝主要體現(xiàn)了巷道成型過(guò)程的時(shí)空效應(yīng)，允許巷道支護(hù)前圍巖在安全范圍內(nèi)產(chǎn)生一定形變，將一次成型支護(hù)分解為多個(gè)分段支護(hù)，采用循環(huán)支護(hù)的方式，錨桿選用參數(shù)與一次支護(hù)方式保持一致的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)分離作業(yè)，無(wú)需增設(shè)作業(yè)人員，合理安排現(xiàn)有作業(yè)人員進(jìn)行掘進(jìn)、錨桿支護(hù)作業(yè)就可降低支護(hù)工藝占用巷道掘進(jìn)正規(guī)循環(huán)總時(shí)間的比例。

2）通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段圍巖形變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，圍巖形變量均在距離掘進(jìn)面40 m左右達(dá)到最大，巷道逐步穩(wěn)定，但分次支護(hù)工藝下頂板形變量約增大3.0 mm，兩幫約增大2.0 mm。這是由于分次支護(hù)允許巷道圍巖產(chǎn)生一定形變后再進(jìn)行支護(hù)的緣故。

3）據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用分次支護(hù)工藝后，3310輔運(yùn)順槽每月掘進(jìn)進(jìn)度增加為1 771.2 m，掘進(jìn)效率比一次支護(hù)工藝提升了約25%，滿足快速高效掘進(jìn)的需求。