基于交叉點(diǎn)支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)井巷支護(hù)效果優(yōu)化

石耀強(qiáng)

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

一直以來(lái)，煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)題備受企業(yè)和領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)注。對(duì)于老礦井而言，在設(shè)計(jì)初期主要以錨噴和U 型棚支護(hù)為主，隨著開(kāi)采深度的增加和生產(chǎn)能力的提升，在傳統(tǒng)支護(hù)條件下綜采工作面出現(xiàn)巷道兩幫片幫、工作面頂板冒頂、巷道變形嚴(yán)重等破壞現(xiàn)象。為保證綜采工作面的生產(chǎn)安全性，提升對(duì)井巷圍巖變形的控制效果，避免設(shè)備與人員遭受到安全威脅，需對(duì)老礦井的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 工程概況

本文以西銘礦22407 工作面為例對(duì)其覆巖及地表地質(zhì)變化進(jìn)行分析，該工作面的走向長(zhǎng)度為3 224 m，其中傾斜工作面的總長(zhǎng)度為284.3 m。經(jīng)探測(cè)，工作面的煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)定性煤層。22407工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示：

表1 22401 工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)探測(cè)，2401 工作面上方覆巖的厚度范圍為35 m～98.5 m，覆巖的平均厚度為42 m。該工作面的平均涌水量為75 m3/h；相對(duì)瓦斯涌出量為0.08 m3/t。目前，在實(shí)際開(kāi)采中工作面采用錨桿+錨索與金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。經(jīng)對(duì)22407 工作面礦壓觀(guān)測(cè)可知，該工作面最大來(lái)壓強(qiáng)度為48.7 MPa，周期來(lái)壓的最大強(qiáng)度值為49.5 MPa。而且工作面存在風(fēng)沙滲透的情況，說(shuō)明地表可能存在裂隙[2]。因此，急需對(duì)22407 開(kāi)采的覆巖和地表地質(zhì)變化進(jìn)行分析。

2 巷道圍巖控制現(xiàn)狀分析

22407 工作面巷道的變形特征如下幾點(diǎn)：

1）在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，22407 工作面巷道的變形量較大且變形速度較大。

2）巷道頂板、兩幫以及底板均呈現(xiàn)不同程度的移近。

3）22407 工作面當(dāng)前所采用的錨桿、錨索等支護(hù)期間出現(xiàn)失效甚至被拉斷的情況。

結(jié)合對(duì)巷道變形破壞特征情況的綜合分析，可將巷道變形破壞的原因歸納如下：

1）在對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)之前未對(duì)圍巖地質(zhì)特征進(jìn)行充分調(diào)查，對(duì)工作面的水文地質(zhì)研究不夠，導(dǎo)致在實(shí)際施工中出現(xiàn)積水、淋水情況時(shí)未及時(shí)處理。

2）巷道支護(hù)設(shè)計(jì)為充分考慮圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，僅單純考慮圍巖類(lèi)別和巷道尺寸對(duì)支護(hù)參數(shù)的影響。

3）當(dāng)前支護(hù)強(qiáng)度較弱，對(duì)巷道圍巖的控制能力較弱，總結(jié)為支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理[2]。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及效果分析

3.1 交叉點(diǎn)支護(hù)設(shè)計(jì)

綜合分析導(dǎo)致22407 工作面巷道破壞原因，可通過(guò)對(duì)工作面大斷面交叉點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)，并將新支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于巷道支護(hù)中以提升對(duì)巷道圍巖變形的控制效果。所謂交叉點(diǎn)指的是，巷道向兩個(gè)或多個(gè)方向進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，由于掘進(jìn)方向的變化而形成的交叉區(qū)段。根據(jù)掘進(jìn)方向的變化情況，可將交叉點(diǎn)分為“Y”“十字”“X 字”以及“T 字”形交叉點(diǎn)。巷道交叉區(qū)段在實(shí)際掘進(jìn)或開(kāi)采時(shí)的變形特征可總結(jié)為：交叉區(qū)段的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯、屬于最易被破壞的區(qū)域、交叉區(qū)域的變形量最大。因此，應(yīng)對(duì)工作面存在交叉段區(qū)域采用特殊的支護(hù)方式，以減小該區(qū)域的變形量和應(yīng)力集中情況[3]。結(jié)合22407 工作面交叉區(qū)段的實(shí)際情況，其屬于Y 字形交叉區(qū)段。本節(jié)將基于數(shù)值模擬軟件對(duì)交叉點(diǎn)卸載過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)其支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1.1 交叉區(qū)段開(kāi)挖順序的確定

結(jié)合巷道交叉區(qū)段的實(shí)際情況，半圓拱形的斷面巷道中，半圓拱的直徑為5 m，半圓拱下方矩形的長(zhǎng)度為5 m，高度為1.5 m。結(jié)合對(duì)巷道巖層的勘測(cè)結(jié)果，對(duì)模型中的巖體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所建立的計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 交叉區(qū)段計(jì)算模型示意圖

如圖1 所示，AB 為主巷道的方向，C 為支巷道其中的一點(diǎn)，D 為主巷道和支巷道的交叉區(qū)段。結(jié)合多年交叉區(qū)段開(kāi)挖順序的不同會(huì)對(duì)巷道圍巖的變形造成不同程度影響的經(jīng)驗(yàn)，為盡可能地減少由于開(kāi)挖順序不同而導(dǎo)致對(duì)巷道圍巖造成的變形量，本方案采用AB 同時(shí)開(kāi)挖至D，而后由D 交叉點(diǎn)挖至支巷C 處的挖掘順序?qū)ぷ髅孢M(jìn)行掘進(jìn)開(kāi)采[4]。

3.1.2 主巷與支巷夾角的確定

從理論上將，對(duì)于交叉區(qū)段而言當(dāng)主巷與支巷之間的夾角不同時(shí)，巷道所承受的應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的變量也不同。因此，本節(jié)對(duì)夾角為60°（Y 形交叉巷道）和90°（T 形交叉巷道）時(shí)對(duì)巷道位移的影響進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2 所示：

分析圖2 可知，當(dāng)主巷與支巷的夾角為60°時(shí)對(duì)應(yīng)巷道的位移大于夾角為90°時(shí)的情況。因此，對(duì)于22407 工作面的Y 形交叉區(qū)段（夾角為60°），為盡可能減小在開(kāi)采掘進(jìn)過(guò)程中由于巷道夾角不同所導(dǎo)致的巷道位移量，將Y 形交叉區(qū)段改造為T(mén) 形交叉區(qū)段（夾角為90°）。

3.1.3 交叉點(diǎn)支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

針對(duì)交叉區(qū)段特殊支護(hù)要求，采用在錨桿+錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上，增加高凸鋼帶的支護(hù)設(shè)計(jì)提升支護(hù)效果。而且，將傳統(tǒng)錨索的平行布置形式改進(jìn)為三花布置形式。交叉點(diǎn)的具體支護(hù)參數(shù)如下[5]：

1）頂板錨桿參數(shù)：所選錨桿的直徑為22 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 500 mm，錨桿間距為700 mm，錨桿排間距為700 mm，同時(shí)錨桿采用三花布置的方式進(jìn)行安裝；該錨桿采用高凸梯形托盤(pán)進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。

圖2 不同巷道夾角對(duì)巷道變形的影響

2）錨索參數(shù)：所選錨索的直徑為18.9 mm，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度為8 000 mm，錨索間距為1 400 mm，錨索排間距為2 100 mm，同樣采用三花布置方式對(duì)錨索進(jìn)行安裝布置。

3）底角錨桿參數(shù)：所選錨桿直徑為32 mm，錨桿類(lèi)型為無(wú)縫鋼管，錨桿長(zhǎng)度為2 500 mm，錨桿間距為200 mm，錨桿排間距為70 mm，并且采用三花布置方式進(jìn)行安裝固定。

4）在錨桿錨索支護(hù)后的巖層表面鋪設(shè)金屬網(wǎng)，所選用金屬網(wǎng)的規(guī)格為70 mm×70 mm，金屬網(wǎng)的長(zhǎng)為1 470 mm，寬為910 mm。

3.2 支護(hù)效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證交叉區(qū)段的支護(hù)效果，在被支護(hù)區(qū)段的圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共在三處位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2 所示：

表2 交叉區(qū)段支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

如表2 所示，對(duì)交叉區(qū)段挖掘順序、交叉形式以及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，被支護(hù)工作面的水平位移最終穩(wěn)定于100 mm 左右，而垂直位移最終穩(wěn)定于60 mm 左右。

4 結(jié)論

1）將該交叉區(qū)段巷道的開(kāi)挖順序確定為：A、B同時(shí)開(kāi)挖至D，而后由D 交叉點(diǎn)挖至支巷C 處；

2）將巷道交叉區(qū)段Y 形交叉點(diǎn)改造為T(mén) 形交叉點(diǎn)；

3）對(duì)交叉區(qū)段采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的技術(shù)上，采用高凸鋼帶和金屬網(wǎng)強(qiáng)化支護(hù)；

4）經(jīng)試驗(yàn)可知，對(duì)交叉區(qū)段進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)后工作面在水平方向的位移被控制在100 mm 左右，在垂直方向的位移被控制在60 mm 左右。