礦井巷道快速掘進(jìn)支護(hù)工藝優(yōu)化研究

張志超

（河南永錦能源有限公司云蓋山煤礦二礦，河南 許昌 452570）

1 煤礦巷道概況

某礦井在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到各種因素影響，確定每年開采能力為240萬t，實(shí)際在經(jīng)歷了多年的井下開采后，其內(nèi)部由于部分已開采形成了大量老窖。現(xiàn)在此種情況下，由于礦井的內(nèi)部開采方式仍然較為傳統(tǒng)，導(dǎo)致開采效率較低，不能滿足實(shí)際任務(wù)的需求，所以要對(duì)目前的開采技術(shù)進(jìn)行升級(jí)以提高開采效率和保證開采時(shí)候的安全性。目前為提高開采效率，更加方便有效地進(jìn)行掘進(jìn)，礦井內(nèi)一般主要采取快速掘進(jìn)技術(shù)，此種技術(shù)對(duì)相關(guān)的配套技術(shù)提出了更高的要求，為了應(yīng)用此種技術(shù)，必須對(duì)配套支護(hù)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。除此之外，由于開采過程中最先開采的煤層埋藏較淺，對(duì)支護(hù)技術(shù)的要求也不高，但隨著開采的不斷繼續(xù)直到后期，開采的煤層深度變深，周遭的地質(zhì)環(huán)境變得復(fù)雜，圍巖的狀態(tài)也差異較大，對(duì)支護(hù)技術(shù)要求隨之增高，為了滿足開采的安全有效進(jìn)行，巷道支護(hù)工藝的升級(jí)也刻不容緩。本文針對(duì)上述情況，以礦井內(nèi)部巷道快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析探討。

文中通過礦井下的回風(fēng)巷道為對(duì)象來進(jìn)行研究，其煤層厚度在8.5～16.23 m之間，平均厚為13.68 m，其煤層傾角在4.3°～13.2°之間，平均在9.4°。巷道的截面為高度約3.5 m、寬度約5.2 m的矩形。通過實(shí)際地質(zhì)的分析后，了解到此處巷道的圍巖情況較為復(fù)雜，有較多的斷層、褶曲等現(xiàn)象，造成了周圍的圍巖狀態(tài)較為松散，受力后易出現(xiàn)破碎，使得一定程度下巷道的支護(hù)變得更加復(fù)雜。

2 原支護(hù)方案及穩(wěn)定性分析

2.1 原支護(hù)方案

圖1為礦井回風(fēng)巷道原支護(hù)方案，巷道頂板采用多根左旋無縱筋錨桿進(jìn)行加固，錨桿實(shí)際參數(shù)為直徑22 mm，長(zhǎng)度2.4 m。水平方向上每隔0.9 m處放置一根錨桿，豎直方向上每隔1 m放置一排錨桿，錨桿和W型鋼帶連接布置。配合的托盤參數(shù)為150 mm×150 mm×10 mm，藥卷型號(hào)為Z2360及K2335。頂板位置進(jìn)行鋪設(shè)由鋼筋制造的鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑為6mm，鋼筋網(wǎng)長(zhǎng)3 m，寬1 m，制造的網(wǎng)孔為邊長(zhǎng)100 mm的正方形。頂板還采取錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索的直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為8.3 m，水平方向上每隔2 m放置一根錨索，豎直方向上每隔2 m放置一排錨索。配合的金屬托盤參數(shù)為300 mm×300 mm×16 mm。

圖1 回風(fēng)巷道原支護(hù)技術(shù)方案（單位：mm）

選擇玻璃鋼錨桿和尼龍網(wǎng)來對(duì)巷道左幫進(jìn)行支護(hù)，玻璃鋼錨桿為直徑20 mm、長(zhǎng)度2.2 m的右旋無縱筋鋼。每排間隔1.2 m，在每一排上每隔1 m放置一根。配合的托盤參數(shù)為150 mm×150 mm×10 mm，藥卷型號(hào)為Z2360。左幫位置進(jìn)行鋪設(shè)的尼龍網(wǎng)長(zhǎng)2 m，寬1 m，網(wǎng)孔為邊長(zhǎng)50 mm的正方形。巷道右?guī)椭ёo(hù)的方式與左幫相似，右?guī)筒Ａт撳^桿為直徑22 mm、長(zhǎng)度2.2 m的左旋無縱筋螺紋鋼，每排間隔1.2 m，在每一排上每隔1 m放置一根。配合的托盤參數(shù)為150 mm×150 mm×10 mm，藥卷型號(hào)為Z2360。所使用的鋼筋網(wǎng)參數(shù)與頂板的一致?；仫L(fēng)巷道采用C25混凝土進(jìn)行澆筑厚度約0.2 m的底板。

2.2 穩(wěn)定性分析

對(duì)回風(fēng)巷道原支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行分析，為了確定其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性，針對(duì)回風(fēng)巷道表面圍巖的位移變化、巷道頂板的離層量演變、錨桿錨固力的演變等三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行一段時(shí)間的數(shù)據(jù)收集，經(jīng)過分別對(duì)實(shí)際結(jié)果的繪制，完成圖2、圖3、圖4。

圖2 巷道圍巖的位移變形演變情況

圖3 巷道頂板離層量的演變情況

圖4 巷道錨桿錨固力的演變情況

根據(jù)圖2所示，回風(fēng)巷道形成后，隨著時(shí)間的推移，頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰谱冃瘟恐鸩阶兇笾敝帘３衷谝欢ǖ乃角已葑冓厔?shì)接相同，兩幫位置比頂?shù)装逦恢幂^早穩(wěn)定且穩(wěn)定后的位移變形量較小。穩(wěn)定時(shí)，頂?shù)装宓奈灰谱冃瘟繛?7 mm，兩幫的位移變形量為41 mm。根據(jù)圖3所示，測(cè)試時(shí)在巷道中選取了4個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀測(cè)，4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的巷道頂板離層量隨時(shí)間的推移逐步變大直至保持在一定的水平且演變趨勢(shì)幾乎相同。穩(wěn)定時(shí)，一號(hào)測(cè)試點(diǎn)具有最大的頂板離層量31.6 mm，3號(hào)測(cè)試點(diǎn)具有最小的頂板離層量18 mm。

根據(jù)圖4所示，隨著時(shí)間的推移，頂板和兩幫的錨桿錨固力逐步變大直至保持在一定的水平且演變趨勢(shì)類似。穩(wěn)定時(shí)，頂板的錨固力要比兩幫的錨固力大，頂板為187 kN，兩幫為168 kN。兩幫的位移變形量為41 mm。

從上述三個(gè)指標(biāo)的演變來看，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃魏湾^固力變化符合預(yù)期，實(shí)際正常應(yīng)用能夠允許原有方案，但從巷道頂板的離層量數(shù)據(jù)來看，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)過大，巷道的安全性無法保障，實(shí)際應(yīng)用中不能夠允許原有方案。

3 快速掘進(jìn)支護(hù)方案的優(yōu)化

根據(jù)回風(fēng)巷道周圍圍巖情況復(fù)雜且較為松散易碎的特性，對(duì)頂板采取錨桿加錨索加護(hù)表構(gòu)件的工藝進(jìn)行支護(hù)，對(duì)兩幫采取錨桿加護(hù)表構(gòu)件的工藝進(jìn)行支護(hù)，此種方案不僅區(qū)別于原有工藝，還利用原有工藝進(jìn)行支護(hù)，在對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)升級(jí)改造的同時(shí)又不需要進(jìn)行較大的改造，對(duì)原有工藝僅在錨桿錨索支護(hù)放置的方式進(jìn)行了改善。升級(jí)改造過的回風(fēng)巷道支護(hù)技術(shù)方案如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后巷道頂板和兩幫的支護(hù)方案

根據(jù)圖5所示，改善后的工藝比起原有工藝來說，改善的部分主要顯示在：

1）同排的錨桿采取一根根的槽鋼進(jìn)行連接加固，兩者結(jié)合后構(gòu)成一體，部分錨桿受力過大時(shí)，可以通過槽鋼把力分散開來，降低了圍巖的受力情況，避免了圍巖因受力過大導(dǎo)致破碎，大大提高了錨桿支護(hù)時(shí)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2）頂板錨索的排列發(fā)生變化，從原有的“三二三”改進(jìn)為“二二”排列，采取一排錨索處于錨桿的中間，下一排錨索處于槽鋼的兩側(cè)，處于錨桿中間時(shí)，錨索間間隔2 m。

3）兩幫位置處每排比起原有三根錨桿增設(shè)一根錨桿，其參數(shù)與原有工藝適配，但其布置間距和排距為1 m。

4 應(yīng)用效果

4.1 巷道圍巖穩(wěn)定性對(duì)比分析

將改善過后的工藝方案在實(shí)際條件下使用進(jìn)行測(cè)試，并且對(duì)測(cè)試的結(jié)果總結(jié)分析，與原有工藝衡量指標(biāo)相似，通過回風(fēng)巷道表面圍巖的位移變化、巷道頂板的離層量演變、錨桿錨固力的演變等三個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，新的支護(hù)工藝的各項(xiàng)指標(biāo)的演化趨勢(shì)與原本工藝的趨勢(shì)相符，即隨著時(shí)間的推移，變形受力等逐步變大直至保持在一定的水平。但由于工藝的改善，穩(wěn)定時(shí)新工藝的指標(biāo)數(shù)值相比于原有工藝有了一定幅度的降低，尤其在頂板離層量的演變上，降低的幅度最大，具體情況如表1內(nèi)穩(wěn)定時(shí)的各參數(shù)值。

表1 煤礦巷道支護(hù)方案優(yōu)化前后穩(wěn)定性指標(biāo)對(duì)比

由表1可知，用來評(píng)價(jià)效果的三個(gè)指標(biāo)數(shù)值均出現(xiàn)了一定程度的降低，在頂板離層量指標(biāo)上，更是降低了近1/3，這表明在對(duì)原有工藝進(jìn)行改進(jìn)后，新的支護(hù)工藝很大程度上增強(qiáng)了圍巖的穩(wěn)定性，能保障巷道的安全，更適合實(shí)際中的應(yīng)用。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

應(yīng)用原有支護(hù)工藝，回風(fēng)巷道支護(hù)需要花費(fèi)1614元/m，應(yīng)用改進(jìn)后的支護(hù)工藝，回風(fēng)巷道支護(hù)需要花費(fèi)1752元/m，雖然花費(fèi)有一定程度的提高，但是考慮到優(yōu)化后的支護(hù)效果所具有的穩(wěn)定性，后期的維修需求相對(duì)較少，減少維修時(shí)間，維護(hù)所花費(fèi)的費(fèi)用也會(huì)減少，綜合考慮下，本文認(rèn)為兩種支護(hù)方案所要支付的費(fèi)用幾乎相等。

5 結(jié)論

新的支護(hù)工藝提高了巷道圍巖支護(hù)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了開采時(shí)的安全性，在維持一定成本的基礎(chǔ)上，減少了維修成本，提高了開采效率，為企業(yè)實(shí)際開采生產(chǎn)取得了良好的效益。