李國鑫

（大同煤礦集團有限責(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砂巖，底板巖層為泥巖和細砂巖。采用一次采全高綜采放頂煤開采。2404 皮帶順槽主要為8404 工作面提供運輸、行人和進風(fēng)等服務(wù)。2404 皮帶順槽沿3#-5#煤層底板掘進，掘進寬5.5 m，高3.6 m，巷道長度為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速度，采用MB670 掘錨一體機進行2404 皮帶順槽的掘進作業(yè)。

2 巷道圍巖控制方案

2.1 支護參數(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，圍巖的整體性相對較差，需要較大的支護阻力，采用高強高預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)［1-2］。為充分發(fā)揮錨桿支護效果，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效果； 當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力過低時，此時在錨桿周圍巖體內(nèi)形成的壓應(yīng)力區(qū)域過低，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)力擴散區(qū)域較廣，能夠覆蓋住錨桿支護區(qū)域的頂板，進而充分發(fā)揮出錨桿的主動支護效果（見圖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度的30%～50%。

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

（2）錨固方式：通過數(shù)值模擬［5］得出錨桿在采用端部錨固、加長錨固和全長錨固三種方式下附加應(yīng)力場的分布規(guī)律見圖2。分析圖2 可知，錨桿采用端部錨固時，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)力擴散范圍較小；當(dāng)錨桿采用加長錨固方式時，錨桿在全長上壓應(yīng)力的分布相對較為均勻，預(yù)應(yīng)力的擴散范圍相對縮小；錨桿采用全長錨固時，預(yù)應(yīng)力的擴散范圍進一步縮小，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)。針對相對松軟的頂板區(qū)域，采用加長錨固或全長錨固，通過施加較高的預(yù)應(yīng)力能夠有效實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的擴散，實現(xiàn)錨桿對頂板巖層的主控控制。

圖2 不同錨固方式錨桿的附加應(yīng)力場分布［6］

（3）鋼帶的作用：為分析錨桿支護體系中鋼帶的作用，現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方式分別進行錨桿支護采用鋼帶和不采用鋼帶時的模擬分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果［7］得出附加應(yīng)力場分布云圖見圖3。分析圖3能夠得出，錨桿支護在無鋼帶時，錨桿的中部和尾部形成的壓應(yīng)力區(qū)域彼此相互獨立，預(yù)應(yīng)力的擴散范圍相對較??；當(dāng)錨桿支護中采用鋼帶時，此時錨桿在沿著鋼帶長度方向上的壓力擴散區(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，錨桿支護體系中采用鋼帶能夠保障錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴散，提升錨桿的主動支護，改善錨桿的支護效果，有效實現(xiàn)對圍巖的主動控制。

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

2.2 支護方案設(shè)計

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

（1）頂板支護：錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，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；采用樹脂加長錨固，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，同時采用長×寬×厚度=450 mm×280 mm×4 mm的W鋼帶保障錨桿索預(yù)應(yīng)力的有效擴散。

（2）兩幫支護：錨桿的各項規(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）進行護幫，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鋼護板，型號同頂板。

具體2404 皮帶順槽的支護方案見圖4。

圖4 2404 皮帶順槽支護方案

3 快速掘進施工工藝

3.1 掘錨機截割方式及進刀路線

掘錨機施工工藝在巷道掘進時最小空頂距約為1.8 m，控頂距較大，由于3#-5#合并煤層較為破碎，掘錨機掘進過程中雖有臨時前探梁支護，但仍可能存在漏頂現(xiàn)象，這會嚴(yán)重影響快速掘進和施工安全?，F(xiàn)設(shè)計在進行錨桿支護的同時，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。具體掘錨機割煤支護工序見圖5。

圖5 巷道掘進割煤支護工藝

3.2 掘錨機支護系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)MB670 掘錨一體機的技術(shù)參數(shù)可知，該掘進期固定循環(huán)進尺是1 m，結(jié)合上述2404 皮帶順槽的支護方案可知錨桿間的排距同樣為1 m，然而掘錨機上錨桿機能夠提供的頂、幫錨桿機間距是1.3 m，因此在進行頂、幫支護時，不可能一次性達成一排。為了使頂部和幫部錨桿最終能夠達成一排，需要在實際作業(yè)時，連續(xù)2 個循環(huán)進尺，且不進行幫部支護，也就是說，頂錨桿已領(lǐng)先幫錨桿2 m，在此情況下，機組后退700 mm，然后進行幫錨桿支護，如此便能使得頂部和幫部錨桿同在一排，或者掘進2 個循環(huán)進尺之后不退機組，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應(yīng)力狀態(tài)，建立數(shù)值模型長×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)測試結(jié)果選取，具體各項參數(shù)見表1。在模型自重載荷平衡后進行巷道開挖及不同方式的支護作業(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)力云圖見圖6。

圖6 錨桿布置應(yīng)力云圖

通過對圖6 中（a）、（b）對比，發(fā)現(xiàn)以上兩種支護方式下的支護應(yīng)力狀態(tài)基本相差不大，錨桿對齊時，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，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)力相對集中，在疊加效果下形成的主應(yīng)力略微增大。

通過以上分析可知，采用連續(xù)作業(yè)2 個循環(huán)進尺不退機組支護方案時，雖然頂部錨桿領(lǐng)先幫部錨桿300 mm，但是其支護應(yīng)力場與頂幫錨桿對齊的支護應(yīng)力場基本一致。而且根據(jù)實際統(tǒng)計，假如作業(yè)2 個循環(huán)進尺之后不退機組，這樣便能節(jié)省9 min，雖然頂部和幫部錨桿不能達成一排，但頂部支護之后，緊接著進行幫部支護，仍能夠阻止片幫冒落。

3.3 效果分析

在2404 順槽掘錨一體機掘進作業(yè)時，通過長期對掘進進度進行統(tǒng)計分析，能夠得出巷道采用上述快速掘進工藝后，每天的掘進進尺由以前的18 m變成23 m；最大單班進尺數(shù)為12 m，最大日進尺23 m/d。掘進正常進行時完成一個循環(huán)的作業(yè)時間為45 min，包括7.8 min的割煤時間以及37.2 min的支護時間。最大月進尺508 m，效率提高0.14 m/工，循環(huán)周期降低35 min，掘進效率大幅提高。

另外在巷道掘進期間，分別在滯后掘進頭10 m、20 m和30 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測站，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出圍巖變形見圖7。

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

4 結(jié)語

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