淺談掘進(jìn)巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

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［摘要］針對(duì)山西呂梁離石西山亞辰煤業(yè)29102回采工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作中發(fā)現(xiàn)的頂板離層和圍巖變形量大的問(wèn)題，提出采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的支護(hù)參數(shù)，并闡述了支護(hù)設(shè)備及施工工藝。

［關(guān)鍵詞］掘進(jìn)巷道；圍巖變形；支護(hù)方案；優(yōu)化

引言

在煤礦井下工作面煤巷順槽的掘進(jìn)過(guò)程中，常常因?yàn)榇嬖诘貞?yīng)力大、巷道圍巖破碎、完整性差等現(xiàn)象而影響掘進(jìn)施工，威脅掘進(jìn)人員和設(shè)備的安全。尤其在采用支護(hù)技術(shù)不當(dāng)、掘進(jìn)施工中發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形量大且難以有效控制時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，以保證掘進(jìn)巷道的人員及設(shè)備安全［1-3］。因此，研究掘進(jìn)巷道的支護(hù)技術(shù)及其優(yōu)化方案很有必要［4-5］。

1工程概況

山西呂梁離石西山亞辰煤業(yè)29102回采工作面位于礦井開(kāi)采區(qū)域的南部，其開(kāi)采煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。由于工字鋼架棚支護(hù)阻力不足，后來(lái)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)工作面后方的巷道圍巖位移量大、工字鋼架棚有壓彎的跡象，且巷道發(fā)生底鼓，對(duì)于這些現(xiàn)象，技術(shù)人員及時(shí)采取了補(bǔ)救措施，如在頂板安裝錨索等，但仍然不能控制巷道圍巖變形的發(fā)展。29102回風(fēng)順槽掘進(jìn)巷道的頂板問(wèn)題嚴(yán)重威脅著井下正常生產(chǎn)，亟需進(jìn)一步對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，以控制掘進(jìn)巷道的持續(xù)變形，保證工作面的正常接替。29102工作面回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過(guò)程中，采用11#工字鋼架棚支護(hù)，支護(hù)方式如圖1所示。

2支護(hù)方案優(yōu)化

2.129102工作面順槽主要影響因素

2.1.1上層煤柱支承壓力的影響根據(jù)相鄰工作面順槽的破壞模式，可分析得出，開(kāi)采煤層后形成的圍巖體應(yīng)力重分布可沿圍巖體煤柱傳遞至底板，造成工作面底板產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)。因此在布置29102工作面回風(fēng)順槽時(shí)，應(yīng)盡可能地避開(kāi)8#煤層底板的應(yīng)力增高區(qū)域，減小29102回風(fēng)順槽巷道圍巖所承受的應(yīng)力，由此來(lái)改善掘進(jìn)巷道的受力條件。圍巖體的強(qiáng)度越大，則由上層煤柱造成的底板應(yīng)力升高區(qū)域范圍也越大。經(jīng)研究分析，29102工作面順槽與8#煤層煤柱之間的水平距離不應(yīng)小于20m，這樣布置對(duì)掘進(jìn)工作面的施工和安全都十分有利。

2.1.2相鄰工作面開(kāi)采引起的動(dòng)壓影響29102工作面順槽受到相鄰工作面開(kāi)采的影響，導(dǎo)致其應(yīng)力重新分布，且峰值應(yīng)力影響范圍較廣。因此，隨著采煤活動(dòng)的進(jìn)行，29102工作面順槽將受到強(qiáng)烈的采動(dòng)影響和應(yīng)力重分布。在進(jìn)行29102工作面順槽設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮相鄰工作面采動(dòng)的影響，確保順槽掘進(jìn)巷道的安全。

2.2支護(hù)方案優(yōu)化

經(jīng)過(guò)分析研究以及與相鄰礦區(qū)對(duì)比，決定采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索綜合支護(hù)技術(shù)解決29102回風(fēng)順槽掘進(jìn)巷道的圍巖大變形問(wèn)題。由于優(yōu)化方案中錨桿是最為關(guān)鍵的優(yōu)化環(huán)節(jié)，因此，重點(diǎn)討論錨桿的優(yōu)化思路。

2.2.1錨桿支護(hù)優(yōu)化錨桿支護(hù)是井下圍巖常用的支護(hù)形式之一。一般來(lái)說(shuō)，錨桿支護(hù)阻力是工字鋼棚支護(hù)阻力的7倍，若對(duì)錨桿施加合適的預(yù)緊力，則錨桿可與軟弱圍巖形成協(xié)調(diào)變形的整體，同時(shí)錨桿也應(yīng)有足夠的錨固力，且錨桿支護(hù)應(yīng)及時(shí)，在巷道圍巖未發(fā)生大的變形及離層前，就應(yīng)使錨桿實(shí)現(xiàn)強(qiáng)初錨，以充分發(fā)揮錨桿作用，維持頂板的完整性，控制圍巖的位移和變形。要使錨桿實(shí)現(xiàn)以上的支護(hù)效果，應(yīng)對(duì)以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化：（1）改變錨桿錨固段長(zhǎng)度，采用全長(zhǎng)錨固或加長(zhǎng)錨固，從而使錨桿和圍巖的協(xié)調(diào)作用能力得到增強(qiáng)。在井下進(jìn)行端錨和全錨試驗(yàn)，得出不同錨固長(zhǎng)度的工作特性，如圖2所示。由圖2分析可知，全長(zhǎng)錨固的錨固性能大于端頭錨固，且隨著圍巖變形量的增大，全長(zhǎng)錨固錨桿的作用要遠(yuǎn)大于端部錨固的錨桿。（2）采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨固安裝。由上文可知，采用全長(zhǎng)錨固錨桿可有效改變圍巖錨固條件，增強(qiáng)錨固效果，從而達(dá)到控制圍巖變形的目的。全長(zhǎng)錨固錨桿應(yīng)采用專門(mén)的安裝技術(shù)，以提高初錨力和錨固效果；為提高全長(zhǎng)錨固錨桿的安裝速度和初錨力，目前多采用阻尼式螺母、壓片式螺母等可以快速進(jìn)行作業(yè)的螺母結(jié)構(gòu)。（3）優(yōu)化錨桿施工工藝。錨桿的施工工藝對(duì)錨固效果有很大的影響，因此，要達(dá)到改善支護(hù)效果的目的，需對(duì)錨桿施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，讓高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固效果最佳。2.2.2其他優(yōu)化措施為達(dá)到較好的支護(hù)效果，除采取以上優(yōu)化措施外，還應(yīng)注意以下幾方面：①合理設(shè)計(jì)錨桿的支護(hù)參數(shù)，以增加錨桿的整體性，有效控制圍巖；②錨桿的錨固范圍有限，因此可與錨索配合使用；③錨網(wǎng)作為與錨索配套的支護(hù)形式，也應(yīng)進(jìn)行合理選型設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)對(duì)巷道礦壓進(jìn)行觀測(cè)，由此來(lái)判斷圍巖控制的效果以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。

2.329102工作面回風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)

綜合以上分析，最終確定的高強(qiáng)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案的具體參數(shù)如下：錨桿采用規(guī)格為準(zhǔn)20mm×2200mm的高強(qiáng)度螺紋樹(shù)脂錨桿，錨桿通過(guò)Z2350中速樹(shù)脂藥卷錨固，2個(gè)藥卷錨固1根錨桿，且錨桿托盤(pán)設(shè)計(jì)為鼓形，托盤(pán)規(guī)格為150mm×150mm×10mm，錨桿間排距為800mm×800mm，且應(yīng)使用鋼帶將錨桿與原梯子梁進(jìn)行固定；錨索采用規(guī)格為準(zhǔn)17.8mm×6000mm的1860型鋼絞線，錨索托盤(pán)采用規(guī)格為300mm×87mm×9.5mm槽鋼，巷道頂板錨索間排距為1600mm×800mm，巷道兩幫錨索間排距為1300mm×800mm；鋼筋網(wǎng)采用2600mm×800mm和3300mm×800mm2種規(guī)格。29102回風(fēng)順槽掘進(jìn)巷道優(yōu)化后的具體支護(hù)形式如圖3、4所示。

3支護(hù)設(shè)備和施工工藝

3.1支護(hù)設(shè)備

支護(hù)工藝中所采用的主要支護(hù)設(shè)備有：2臺(tái)錨桿、錨索鉆機(jī)及配套的鉆頭，4臺(tái)風(fēng)錘，2臺(tái)電動(dòng)油泵，4臺(tái)錨索攪攔器，2套張拉千斤頂，2套風(fēng)動(dòng)扳手等。

3.2施工工藝

3.2.1掘巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照巷道斷面施工圖進(jìn)行施工，保證巷道成形的質(zhì)量，使巷道盡量平整，不出現(xiàn)明顯不規(guī)則部位；掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行敲幫問(wèn)頂，將松動(dòng)的巖石及時(shí)敲落，以免傷人，若因不可抗拒的因素導(dǎo)致巷道實(shí)際斷面尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相差過(guò)大，應(yīng)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

3.2.2臨時(shí)支護(hù)巷道掘進(jìn)過(guò)程中，臨時(shí)支護(hù)對(duì)于掘進(jìn)工作面的安全至關(guān)重要，可采用單體液壓支柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，保證掘進(jìn)工作面人員和設(shè)備的安全。

3.2.3永久支護(hù)按照優(yōu)化的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等施工，并確保設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)基本得到實(shí)現(xiàn)；錨桿、錨索的角度要與設(shè)計(jì)一致，不得圖方便施工而擅自改變支護(hù)參數(shù)。

4支護(hù)效果

為進(jìn)一步掌握和了解優(yōu)化后的支護(hù)方案實(shí)施效果，在29102回風(fēng)順槽每隔20m設(shè)置1個(gè)位移觀測(cè)站，主要監(jiān)測(cè)頂板位移、兩幫位移以及頂板離層量；設(shè)置專人對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)和記錄，并進(jìn)行存檔分析，若發(fā)現(xiàn)位移量有持續(xù)增大趨勢(shì)，應(yīng)發(fā)出預(yù)警并及時(shí)采取相應(yīng)的措施。圍巖位移監(jiān)測(cè)情況如圖5所示。由圖5分析可知，采取優(yōu)化后的高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)方案后，29102回風(fēng)順槽掘進(jìn)巷道的圍巖位移量得到了有效的控制，頂板位移最大量發(fā)生在距工作面約80m處，位移最大量60mm；兩幫位移最大量45mm；頂板離層最大量15mm?？梢?jiàn)采取優(yōu)化的支護(hù)方案后，較好地控制了掘進(jìn)巷道的圍巖位移，保證了工作面的安全。

5結(jié)論

針對(duì)山西呂梁離石西山亞辰煤業(yè)29102回采工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作中發(fā)現(xiàn)的頂板離層、圍巖變形量大的問(wèn)題，提出采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的支護(hù)參數(shù)，對(duì)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行了選型，并闡述了優(yōu)化后的支護(hù)工藝，在巷道中進(jìn)行了圍巖位移量監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案可保證掘進(jìn)巷道的安全生產(chǎn)。

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作者：劉強(qiáng) 單位：山西呂梁離石西山亞辰煤業(yè)有限公司