巷道掘進作業(yè)與支護作業(yè)的協(xié)調應用研究

潘 翔

（晉能控股煤業(yè)集團馬道頭煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037000）

引言

近年來隨著科技水平的不斷進步，我國的能源的需求量也顯著增加，因此怎樣通過高效快捷的方式實現煤炭資源的回采成為了影響礦井經濟成本控制的主要要因素之一。新興技術的逐漸普及下，礦井自動化智能化程度越來越高，礦井的掘進速度得到了顯著提升，與之相對的回采速度同掘進速度、掘進速度同支護速度之間不協(xié)調導致礦井整體的回采效率難以突破[1]。當前我國煤礦的開采方式主流仍然為井工開采的方式，開采過程受到巷道實際地質情況的限制，整體支護成本難以控制在合理范圍內，因此需要通過支護掘進過程相適應的方式才能夠提升掘進工作的實施效率[2]。

1 工程概況

礦井所處區(qū)域地勢十分平坦，地貌特征為風積沙地貌，當前正處于掘進工作中的是1003 運輸順槽，掘進方向同煤層走向相適應，煤層整體構造呈現出西高東低的趨勢，煤層厚度為3 m，夾矸厚度約占0.1 m，煤層整體傾角約為3°，煤層整體性較好，斷層數量較少。在巷道掘進的過程中，采用錨桿錨索的支護方式使得支護時間較長，支護過程難以和掘進過程保持一致，導致二者間難以協(xié)調作業(yè)，降低了巷道的掘進效率，因此需要對現有的支護方案進行改進，確保支護過程和掘進過程間互相配合，通過二者協(xié)調的方式提升巷道的掘進效率。

2 支護方案設計

2.1 巷道原支護方案

本次研究的掘進巷道斷面呈矩形，寬5.5 m，高3.5 m，當前采用的支護方式為錨桿錨索聯(lián)合支護：頂板使用圓鋼錨桿支護，錨桿直徑18 mm、長度2 200 mm，相鄰錨桿間距1 000 mm，排距1 000 mm，錨索長度為7 000 mm，相鄰錨索間距3 000 mm；巷道左幫使用圓鋼錨桿支護，錨桿直徑16 mm、長度1 800 mm，相鄰錨桿間距1 200 mm，排距1 000 mm；右?guī)褪褂脠A鋼錨桿支護，錨桿直徑18 mm、長度1 600 mm，相鄰錨桿間距1 200 mm，排距1 000 mm；頂板使用錨網支護，錨網規(guī)格為Φmm×120 mm×120 mm，兩幫均使用鉛絲網輔助支護，鉛絲網規(guī)格為Φ10 mm×120 mm×120 mm。

2.2 支護方案的優(yōu)化設計

巷道掘進初期，掘金深度較小，可以依靠端頭進行支護，使得周圍圍巖的受力狀態(tài)能夠保持三向受力狀態(tài)，應力變化較為緩慢，使得巷道圍巖變形量較小。掘進進度的不斷深入，圍巖失去了端頭的支撐轉變?yōu)槎蚴芰?，受力大小顯著增加，僅僅依靠端頭難以達到知乎要求，因此增設支護裝置確保圍巖的變形量在合理范圍內，保證掘進過程中巷道的穩(wěn)定[3-4]。巷道現有的支護方案屬于一次支護，也就是在一次作業(yè)中全部完成支護工作，在指定位置布置錨桿錨索支護巷道斷面。巷道各個階段的受力存在一定的差異，因此將原有方案進行優(yōu)化，新方案采用分次支護的方案。

分次支護方案示意圖，如下頁圖1 所示。兩種方案原理上相近但是形式上有所差異，分次支護通過多次作業(yè)共同完成支護工作，根據巷道的施工要求分成作業(yè)完成支護作業(yè)，具體方案如下：

圖1 分次支護示意簡圖

1）1 次支護，巷道掘進0～2.5 m 過程中，在頂板位置布置2 根錨桿，總計3 排;巷道掘進3.5 m～7.5 m過程中，在頂板位置布置4 根錨桿，總計5 排;巷道掘進8.5 m～10.5 m過程中，在頂板位置布置6 根錨桿，總計3 排，配合錨網支護進行，錨桿尺寸、間排距以及錨網參數等相關參數影響較小因此不進行數值的調整。

2）2 次支護的主要任務是對巷道的幫部進行加固，斷面支護初始位置在滯后工作面21 m處，巷道左幫使用圓鋼錨桿支護，錨桿直徑16 mm、長度1 800 mm，相鄰錨桿間距1 200 mm，排距1 000 mm；巷道右?guī)褪褂脠A鋼錨桿支護，錨桿直徑18 mm，長度1 600 mm，相鄰錨桿間距1 200 mm，排距1 000 mm，上述支護設備在一次作業(yè)中布置完畢。

3）3 次支護是在原有基礎上進行錨索支護，要求錨索支護的支護作業(yè)至少滯后工作面55 m。

3 工程應用

3.1 監(jiān)測方案及結果

通過實驗對比進行方案的比較，選取兩段巷道分別采取原支護方案和二次支護方案進行巷道圍巖的支護，保持掘進距離相同[5]。一致兩種支護方式對于巷道幫部的支護完全一致，因此，本文主要對比兩種支護方案下巷道頂板變形量和錨桿的軸力。

通過數顯收斂計能夠進行巷道頂板變形量的數值測量，測量方式為在巷道內部合理布置測點，每組測點個數為4 個，相鄰測點間的間距為5 m。每組測點的位置分別在巷道中部頂板的中間、兩幫和開采幫的中間，測點孔直徑28 mm，長度200 mm，測點通過樹脂錨固劑固定在待測位置；錨桿軸力值由錨桿測力計測得，掘進過程中，錨桿由于應力的作用產生應變，通過測力計進行數值轉換即可得到錨桿的軸力值。

將兩種支護方案下所測數據進行匯總得到的結果，如圖2 所示。根據圖2 不難發(fā)現，采用原支護方案，滯后掘進面50 m 范圍內，頂板變形量逐漸增大，滯后工作面50 m～70 m 范圍內，變形量趨于穩(wěn)定，大約為13.2 mm；采用分次支護方案，變化規(guī)律同原支護方案規(guī)律一致，頂板變形量穩(wěn)定值約為14.2 mm，相較于原支護方案，頂板變形量穩(wěn)定之增大1 mm 左右。采用原支護方案，測得錨桿軸力最小值大約是4.5 kN，在滯后掘進面55 m～70 m 區(qū)間內，該數值為30.5 kN 左右；采用二次支護方案，錨桿軸力最小值大約是4 kN，在相同區(qū)域內，該數值為33 kN 左右，由此可知，優(yōu)化后的方案穩(wěn)定后的錨桿軸力約增大2.5 kN。

圖2 頂板變形量及錨桿軸力變化曲線

總的來說，采用分次支護方案會導致巷道頂板的變形量一定程度的增加，導致錨桿軸力增大，但是二者的數值均未超過相關要求，由此可見分次支護方案的可行性[6]。

3.2 效益分析

把不同支護方案下所得的頂板和錨桿軸力數值進行對比，不難發(fā)現分次支護方案能夠保證巷道支護的可靠性和穩(wěn)定性。綜合分析支護工藝同掘進工藝的配合，采用分次支護方案更為合適。將2 種支護方案采取效益分析：采用原支護方案，礦井單月進尺量為1 166 m；采用分次支護方案，礦井單月進尺量為1 493 m。相關經濟效益對比，如表1 所示。

表1 支護效益分析表

根據表1 中不難發(fā)現，兩種方案所需錨桿數量不發(fā)生改變，所以支護成本保持一致。差異之處包括，分次支護方案耗時較少，同掘進工藝更加協(xié)調，使得掘進工作以及支護工作可以同時開展，提升了巷道的掘進效率，增加了巷道的月進尺量[7]。

4 結語

1）針對巷道支護過程中錨桿錨索布置時間較長導致巷道掘進效率難以提升，提出了分次支護方案，使得支護同掘進工藝相互協(xié)調，提升了巷道的掘進效率；

2）分次支護方案共計支護3 次，分別為：頂板錨桿支護、幫部錨桿支護以及頂板錨索支護，根據測得數據可知采用分次支護方案，巷道頂板變型量和錨桿軸力滿足相關要求；

3）分次支護方案相較于原支護方案支護成本一致，但是循環(huán)支護時間顯著縮短使得支護過程同掘進過程更加協(xié)調，相較于原支護方案，月進尺量提高327 m。