特厚煤層巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

李國(guó)鑫

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

山西大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤礦8404 工作面為北四盤區(qū)的首采工作面，工作面開(kāi)采3#-5#合并煤層。3#煤層平均厚度6.4 m，5#煤層厚度15.92 m，合并煤層平均厚度22.32 m。煤層平均傾角5°，煤層平均含有3 層夾矸，夾矸層厚度為1.35 m，夾矸的主要巖性為泥巖。煤層頂板巖層為泥巖和中細(xì)砂巖，底板巖層為泥巖和細(xì)砂巖。采用一次采全高綜采放頂煤開(kāi)采。2404 皮帶順槽主要為8404 工作面提供運(yùn)輸、行人和進(jìn)風(fēng)等服務(wù)。2404 皮帶順槽沿3#-5#煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬5.5 m，高3.6 m，巷道長(zhǎng)度為4 175 m，埋深約300 m。為緩解采掘接續(xù)緊張，需要提高巷道的掘進(jìn)速度，采用MB670 掘錨一體機(jī)進(jìn)行2404 皮帶順槽的掘進(jìn)作業(yè)。

2 巷道圍巖控制方案

2.1 支護(hù)參數(shù)的選取原則

根據(jù)2404 皮帶順槽圍巖的具體地質(zhì)條件可知，3#-5#合并煤層較為松軟破碎，圍巖的整體性相對(duì)較差，需要較大的支護(hù)阻力，采用高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)［1-2］。為充分發(fā)揮錨桿支護(hù)效果，現(xiàn)具體討論錨桿預(yù)應(yīng)力、錨桿錨固方式和鋼帶的支護(hù)效果。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，固定模型底邊及側(cè)邊位移，在模型頂部施加等效自重載荷，在初始地應(yīng)力平衡后，分別進(jìn)行錨桿預(yù)應(yīng)力、錨固方式和鋼帶作用的模擬分析。

（1）錨桿預(yù)應(yīng)力：合理的錨桿預(yù)應(yīng)力能夠充分保障錨桿的支護(hù)效果； 當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力過(guò)低時(shí)，此時(shí)在錨桿周圍巖體內(nèi)形成的壓應(yīng)力區(qū)域過(guò)低，錨桿與錨桿間預(yù)應(yīng)力的傳遞不能形成有效的整體；錨桿在高預(yù)應(yīng)力下，其形成的壓應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域較廣，能夠覆蓋住錨桿支護(hù)區(qū)域的頂板，進(jìn)而充分發(fā)揮出錨桿的主動(dòng)支護(hù)效果（見(jiàn)圖1）；根據(jù)相關(guān)研究表明［3］，合理的錨桿預(yù)緊力一般為錨桿桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%。

圖1 不同錨桿預(yù)應(yīng)力形成的附加應(yīng)力場(chǎng)分布［4］

（2）錨固方式：通過(guò)數(shù)值模擬［5］得出錨桿在采用端部錨固、加長(zhǎng)錨固和全長(zhǎng)錨固三種方式下附加應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律見(jiàn)圖2。分析圖2 可知，錨桿采用端部錨固時(shí)，錨桿錨固端和托盤端預(yù)應(yīng)力的作用范圍較大，但錨桿中部區(qū)域的壓應(yīng)力擴(kuò)散范圍較小；當(dāng)錨桿采用加長(zhǎng)錨固方式時(shí)，錨桿在全長(zhǎng)上壓應(yīng)力的分布相對(duì)較為均勻，預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散范圍相對(duì)縮小；錨桿采用全長(zhǎng)錨固時(shí)，預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散范圍進(jìn)一步縮小，預(yù)應(yīng)力在圍巖內(nèi)形成類似“高腳杯”形的壓應(yīng)力分布區(qū)。針對(duì)相對(duì)松軟的頂板區(qū)域，采用加長(zhǎng)錨固或全長(zhǎng)錨固，通過(guò)施加較高的預(yù)應(yīng)力能夠有效實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)錨桿對(duì)頂板巖層的主控控制。

圖2 不同錨固方式錨桿的附加應(yīng)力場(chǎng)分布［6］

（3）鋼帶的作用：為分析錨桿支護(hù)體系中鋼帶的作用，現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方式分別進(jìn)行錨桿支護(hù)采用鋼帶和不采用鋼帶時(shí)的模擬分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果［7］得出附加應(yīng)力場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖3。分析圖3能夠得出，錨桿支護(hù)在無(wú)鋼帶時(shí)，錨桿的中部和尾部形成的壓應(yīng)力區(qū)域彼此相互獨(dú)立，預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散范圍相對(duì)較?。划?dāng)錨桿支護(hù)中采用鋼帶時(shí)，此時(shí)錨桿在沿著鋼帶長(zhǎng)度方向上的壓力擴(kuò)散區(qū)域明顯出現(xiàn)增大，壓應(yīng)力在巖層中呈現(xiàn)出橢圓形分布，且不同錨桿之間形成的壓應(yīng)力之間能夠相互連接。

基于上述分析可知，錨桿支護(hù)體系中采用鋼帶能夠保障錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散，提升錨桿的主動(dòng)支護(hù)，改善錨桿的支護(hù)效果，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的主動(dòng)控制。

圖3 有無(wú)鋼帶錨桿預(yù)應(yīng)力形成的附加應(yīng)力場(chǎng)分布［7］

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基于上述分析，結(jié)合巷道的具體地質(zhì)條件，確定巷道采用高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，具體支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)：錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，排距1 000 mm，頂板中間兩根錨桿間距1 100 mm，其余錨桿間距950 mm，均垂直頂板布置；采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m。錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm的1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間距×排距=2 000 mm×2 000 mm，同樣采用加長(zhǎng)錨固，錨索均垂直頂板打設(shè)，設(shè)置預(yù)緊力為200 kN。

頂板采用Φ6 mm鋼筋編織的鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm，網(wǎng)片規(guī)格為3 200 mm×1 200 mm，同時(shí)采用長(zhǎng)×寬×厚度=450 mm×280 mm×4 mm的W鋼帶保障錨桿索預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散。

（2）兩幫支護(hù)：錨桿的各項(xiàng)規(guī)格參數(shù)均同頂板，間排距為1 000 mm×1 000 mm，幫部錨桿均垂直于幫部布置；預(yù)緊扭矩同樣為300 N·m，采用菱形金屬網(wǎng)（8#鐵絲）進(jìn)行護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格為3 600 mm×1 200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，幫部同樣采用W鋼護(hù)板，型號(hào)同頂板。

具體2404 皮帶順槽的支護(hù)方案見(jiàn)圖4。

圖4 2404 皮帶順槽支護(hù)方案

3 快速掘進(jìn)施工工藝

3.1 掘錨機(jī)截割方式及進(jìn)刀路線

掘錨機(jī)施工工藝在巷道掘進(jìn)時(shí)最小空頂距約為1.8 m，控頂距較大，由于3#-5#合并煤層較為破碎，掘錨機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中雖有臨時(shí)前探梁支護(hù)，但仍可能存在漏頂現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重影響快速掘進(jìn)和施工安全。現(xiàn)設(shè)計(jì)在進(jìn)行錨桿支護(hù)的同時(shí)，在煤壁中部插入滾筒割煤，以降低空頂距，防止頂板出現(xiàn)漏頂情況。具體掘錨機(jī)割煤支護(hù)工序見(jiàn)圖5。

圖5 巷道掘進(jìn)割煤支護(hù)工藝

3.2 掘錨機(jī)支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)MB670 掘錨一體機(jī)的技術(shù)參數(shù)可知，該掘進(jìn)期固定循環(huán)進(jìn)尺是1 m，結(jié)合上述2404 皮帶順槽的支護(hù)方案可知錨桿間的排距同樣為1 m，然而掘錨機(jī)上錨桿機(jī)能夠提供的頂、幫錨桿機(jī)間距是1.3 m，因此在進(jìn)行頂、幫支護(hù)時(shí)，不可能一次性達(dá)成一排。為了使頂部和幫部錨桿最終能夠達(dá)成一排，需要在實(shí)際作業(yè)時(shí)，連續(xù)2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，且不進(jìn)行幫部支護(hù)，也就是說(shuō)，頂錨桿已領(lǐng)先幫錨桿2 m，在此情況下，機(jī)組后退700 mm，然后進(jìn)行幫錨桿支護(hù)，如此便能使得頂部和幫部錨桿同在一排，或者掘進(jìn)2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺之后不退機(jī)組，使得頂板錨桿與幫部錨桿不再同一排。

現(xiàn)根據(jù)2404 皮帶順槽的地質(zhì)條件，采用FLAC3D軟件模擬頂、幫錨桿對(duì)齊成排、頂部錨桿領(lǐng)先幫部錨桿300 mm兩種情況下的巷道支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)，建立數(shù)值模型長(zhǎng)×寬×高=200 m×100 m×50 m；固定模型底邊及側(cè)邊位移，在模型頂部設(shè)置上覆巖層等效荷載7.5 MPa，模型中各巖層參數(shù)依據(jù)工作面圍巖力學(xué)測(cè)試結(jié)果選取，具體各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。在模型自重載荷平衡后進(jìn)行巷道開(kāi)挖及不同方式的支護(hù)作業(yè)。

表1 3#-5#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

內(nèi)摩擦角/°砂質(zhì)泥巖2 7420.16203.61.130巖性密度/（kg/m3）泊松比彈性模量/GPa粘聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa 3#-5#煤1 4000.30101.90.617泥巖2 4000.20153.21.919砂質(zhì)泥巖2 7420.16203.61.130

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出不同錨桿布置形式下的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

圖6 錨桿布置應(yīng)力云圖

通過(guò)對(duì)圖6 中（a）、（b）對(duì)比，發(fā)現(xiàn)以上兩種支護(hù)方式下的支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)基本相差不大，錨桿對(duì)齊時(shí)，其所受的最大主應(yīng)力約為0.035 5 MPa，頂部錨桿領(lǐng)先幫部錨桿300 mm時(shí)，其所受的最大主應(yīng)力則為0.034 4 MPa，略小于前者。究其原因，主要是對(duì)齊狀態(tài)下，頂部錨桿和幫部錨桿所受的壓應(yīng)力在同一平面上，應(yīng)力相對(duì)集中，在疊加效果下形成的主應(yīng)力略微增大。

通過(guò)以上分析可知，采用連續(xù)作業(yè)2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺不退機(jī)組支護(hù)方案時(shí)，雖然頂部錨桿領(lǐng)先幫部錨桿300 mm，但是其支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)與頂幫錨桿對(duì)齊的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)基本一致。而且根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，假如作業(yè)2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺之后不退機(jī)組，這樣便能節(jié)省9 min，雖然頂部和幫部錨桿不能達(dá)成一排，但頂部支護(hù)之后，緊接著進(jìn)行幫部支護(hù)，仍能夠阻止片幫冒落。

3.3 效果分析

在2404 順槽掘錨一體機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)掘進(jìn)進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠得出巷道采用上述快速掘進(jìn)工藝后，每天的掘進(jìn)進(jìn)尺由以前的18 m變成23 m；最大單班進(jìn)尺數(shù)為12 m，最大日進(jìn)尺23 m/d。掘進(jìn)正常進(jìn)行時(shí)完成一個(gè)循環(huán)的作業(yè)時(shí)間為45 min，包括7.8 min的割煤時(shí)間以及37.2 min的支護(hù)時(shí)間。最大月進(jìn)尺508 m，效率提高0.14 m/工，循環(huán)周期降低35 min，掘進(jìn)效率大幅提高。

另外在巷道掘進(jìn)期間，分別在滯后掘進(jìn)頭10 m、20 m和30 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出圍巖變形見(jiàn)圖7。

分析圖7 可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下掘出60 d后，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟炕具_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中1#～3#測(cè)站中最大頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e為120 mm和69 mm，圍巖變形量相對(duì)較小，支護(hù)方案保障了圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)2404 皮帶順槽的地質(zhì)條件，通過(guò)分析各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)的選擇原則，進(jìn)行巷道圍巖控制方案的設(shè)計(jì)，并結(jié)合MB670 掘錨一體機(jī)的特征，設(shè)計(jì)掘錨機(jī)割煤支護(hù)工序和割煤作業(yè)方式，確定掘錨機(jī)支護(hù)系統(tǒng)采用2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺不退機(jī)組的頂幫不成排支護(hù)工藝。實(shí)際應(yīng)用效果表明，調(diào)整后的掘錨工藝巷道掘進(jìn)速度能夠得到較大幅度的提升。