工作面運輸巷支護方式改進研究

王克明

（晉能集團太原有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

山西三元煤業(yè)股份有限公司是由晉能集團（原山西省煤炭運銷集團）控股的國有企業(yè)，公司位于山西省長治市， 礦井始建于1989年，1997年9月投產(chǎn)，設(shè)計能力0.6 Mt/a。經(jīng)過技術(shù)改造，2010年山西省煤炭工業(yè)局晉煤行發(fā)[2010]273號文，礦井核定生產(chǎn)能力2.2 Mt/a。

礦井采用立井開拓方式，運輸水平標高+620 m，開采3號煤層。3號煤層厚3.53～6.81 m，平均4.20 m，煤層傾角為4°～15°，煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復雜，但屬較穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。3號煤層頂板局部存在泥巖以及砂質(zhì)泥巖，其厚度在0～12.1 m之間，局部部位還存在炭質(zhì)泥巖偽頂。另外，煤層與底板砂巖間還存在泥巖或者是砂質(zhì)泥巖偽底，斷層發(fā)育，水文地質(zhì)環(huán)境相對較為復雜，存在裂隙有滴水以及淋水問題。

4301工作面運輸巷長度為980m，埋深為350 m，為矩形斷面，寬度為3500mm，高度為2800 mm。

2 巷道原支護方案分析

2.1 原支護形式

采用錨桿、錨索以及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，圓鋼錨桿長度值2.0 m，外帶鋼帶以及鐵托板，鋼帶的長度值為3.3m，寬度值為0.18m，厚度值為3 mm，鐵托板的規(guī)格大小為80mm×80mm×10 mm。 設(shè)計的錨桿支護間距值與排距值分別是900mm與1000 mm。錨索的長度值為6.0m，間距值為1.8 m，排距值為1.0 m，第一排設(shè)置兩根錨索，第二排設(shè)置一根錨索，如此循環(huán)。在頂板結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)有金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)的規(guī)格大小為3500mm×1200 mm。

4301工作面運輸巷的兩幫位置打兩排錨桿，錨桿的長度值是1.7 m，帶有混凝土托板，托板的規(guī)格大小為600mm×200mm×90 mm。在兩幫位置處均鋪掛上兩道金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)的規(guī)格大小為3500 mm×1200 mm，同時確保兩幫位置處的金屬網(wǎng)和頂板鋪設(shè)的金屬網(wǎng)搭接牢靠。運輸巷原支護斷面見圖1。

圖1 4301工作面運輸巷原支護斷面

2.2 巷道原支護存在的問題

根據(jù)以往支護具體情況進行分析，就具體效果而言，原支護工藝存在下列問題：

（1）巷道兩幫位置處的支護強度相對較弱，在開挖之后幾天時間兩幫位置的移近量變超過了100 mm，而且出現(xiàn)了較為嚴重的片幫問題，無法對兩幫破裂問題加以有效防治。

（2）在巷道運行階段，多處頂板出現(xiàn)了較為嚴重的下沉問題，而且在局部區(qū)域內(nèi)還發(fā)生了冒頂現(xiàn)象，這在很大程度上對井下作業(yè)人員人身安全產(chǎn)生威脅。

（3）在局部位置處采用小棚距“U”型鋼棚加強支護，因為鋼棚支護為被動支護方式，在來壓過程中極易出現(xiàn)變形，導致巷道運行的安全隱患較大。

（4）在巷道的局部位置處出現(xiàn)底鼓問題，而且斷面出現(xiàn)了較為嚴重的收縮，影響巷道正常使用。

巷道現(xiàn)場破壞情況見圖2。

3 巷道支護方式改進

此次變更主要是針對錨索設(shè)置數(shù)量以及錨桿類型進一步進行優(yōu)化，在第一排設(shè)置兩根錨索，第二排設(shè)置三根錨索如此循環(huán)。而且，還采用中空的注漿錨桿將發(fā)生破碎的煤體和巷道結(jié)構(gòu)中較為穩(wěn)定的巖體相互連接起來，這樣便能夠有效的提升破碎煤體粘結(jié)強度值。

圖2 運輸巷現(xiàn)場破壞情況

4301工作面運輸巷沿煤層底板掘進，在巷道頂板位置處以及兩幫位置處均是煤體。由于巷道中煤體結(jié)構(gòu)較為松散，而且易出現(xiàn)破碎問題，在巷道運行過程中維護工作較為困難。以往主要是利用錨桿支護的方式開展支護作業(yè)，而此種支護工藝下巷道極易發(fā)生變形，有時還會出現(xiàn)嚴重的破壞問題，導致巷道維護工作極為困難。之前所采用的圓鋼錨桿加掛金屬網(wǎng)支護方式，無法達到安全生產(chǎn)的需求。就三元煤礦煤層松散的具體特征，此次支護變更設(shè)計中通過錨網(wǎng)索加錨注加特殊段二次支護的工藝對巷道進行支護處理。

對于頂板結(jié)構(gòu)通過錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的方式。通過利用高預應(yīng)力錨桿加錨索加鋼帶加網(wǎng)片進行聯(lián)合支護，則能夠確保達到多層拱結(jié)構(gòu)支護的效果，而利用錨索結(jié)構(gòu)則能夠把錨桿支護所組合而成的拱結(jié)構(gòu)懸吊在深部圍巖結(jié)構(gòu)之中，這樣便可以有效的利用深部圍巖強度，便能夠達到較為理想的支護效果。另外，此種柔性支護工藝允許巷道圍巖結(jié)構(gòu)釋放出一定量的膨脹變形能，同時還可以確保巷道的變形可以有效得以控制，使圍巖結(jié)構(gòu)自承載能力可以得到有效發(fā)揮，保證巷道運行過程中更加穩(wěn)定。

在兩幫位置處應(yīng)用中空的注漿錨桿。該錨桿的具體加固原理為：確保錨桿支護效果能夠和注漿加固效果更好融合到一起，同時對巷道支護發(fā)揮作用。注漿材料選擇水泥—水玻璃混合材料，這樣可以有效的提升錨桿結(jié)構(gòu)錨固強度值。另外，借助于注漿工藝能夠?qū)l(fā)生破碎的煤體和巷道結(jié)構(gòu)中較為穩(wěn)定的巖體相互連接起來，這樣便能夠有效的提升破碎煤體粘結(jié)強度值。注漿錨桿支護工藝擁有強初撐、高承載以及急增阻的特性，應(yīng)用在較軟地層之中可以有效解決錨固力快速衰減以及喪失的問題。

支護工藝優(yōu)化設(shè)計后相關(guān)參數(shù)見表1，支護結(jié)構(gòu)見圖3，現(xiàn)場實際施工效果見圖4。

表1 變更設(shè)計后巷道支護參數(shù)

圖3 支護結(jié)構(gòu)

圖4 現(xiàn)場實際施工效果

4 二次支護

對于一些特殊的區(qū)域，采用全斷面封閉型金屬二次支架。由于支架為整體封閉型，這和以往所采用的梯形支架以及拱形支架對比而言，全封閉型支架能夠承載更大的壓力，可以有效的對底板拱起問題加以控制，同時也能夠控制兩幫的變形。尤其是針對一些圍巖較為松軟、巷道礦壓較大以及片幫問題較為嚴重的巷道而言，采用整體封閉型支架能夠取得更為明顯的效果。

在二次支護過程中，所采用的金屬支架為11#礦用工字鋼，支架結(jié)構(gòu)為矩形結(jié)構(gòu)，支架布置的間距設(shè)定為1000 mm，將支架設(shè)置于每排錨桿支護中間位置。在二次支護施工的過程中，應(yīng)當強化對巷道的變形監(jiān)測工作，而且在掘進作業(yè)時也應(yīng)當進行超前探測，從而保障煤礦開采的安全性。

5 巷道監(jiān)測分析

共設(shè)置有3個監(jiān)測站對巷道進行位移監(jiān)測，其中，1號監(jiān)測站和巷道開口位置的距離值為250 m，2號監(jiān)測站距巷道開口位置的距離為280 m，3號監(jiān)測站距巷道開口位置的距離為330 m。3個監(jiān)測站的監(jiān)測頻率相同，在前10天之中每天監(jiān)測一次，在后15天之中3天監(jiān)測一次，最后7天監(jiān)測一次，在巷道的變形速率趨向零時便停止監(jiān)測。3個監(jiān)測站監(jiān)測得到底板下沉數(shù)據(jù)以及兩幫收斂數(shù)據(jù)見圖5、圖6。

圖5 底板下沉趨勢

通過1號監(jiān)測站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，在巷道進行開挖支護作業(yè)之后的9 d時間之內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結(jié)構(gòu)在巷道開挖支護之后的17 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結(jié)構(gòu)的累計下沉量也控制在30 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結(jié)構(gòu)在開挖之后的20 d時間便逐漸趨向于零，而且兩幫結(jié)構(gòu)的累計收斂僅僅為44 mm。

通過對2號監(jiān)測站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，巷道進行開挖支護作業(yè)之后的10 d時間內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結(jié)構(gòu)在巷道開挖支護之后的20 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結(jié)構(gòu)的累計下沉量控制在28 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結(jié)構(gòu)在開挖之后的21d時間便逐漸趨向于量，而且兩幫結(jié)構(gòu)的累計收斂僅僅為41 mm。

圖6 兩幫收斂趨勢

通過對3號監(jiān)測站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，巷道進行開挖支護作業(yè)之后的10 d時間內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結(jié)構(gòu)在巷道開挖支護之后的20 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結(jié)構(gòu)的累計下沉量控制在34 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結(jié)構(gòu)在開挖之后的19 d時間便逐漸趨向于量，而且兩幫結(jié)構(gòu)的累計收斂僅僅為42 mm。

1號、2號、3號監(jiān)測站所得曲線的走勢大致相同，從中能夠得出，在巷道開挖支護后的10 d時間之內(nèi)，巷道變形相對明顯，而隨后逐漸的趨近于零，也就是說在10 d之內(nèi)為圍巖釋放其變形能力的重要階段。而從以上數(shù)據(jù)又可以得出，在經(jīng)過21 d之后，巷道的變形達到了穩(wěn)定狀態(tài)，這也反映出了支護開始發(fā)揮顯著作用，證明所采用的支護工藝是適宜的與安全的。