崔亮亮

（山西霍寶干河煤礦有限公司， 山西 洪洞 031400）

引言

煤炭作為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的主要能源之一，近年來(lái)的需求量越來(lái)越大，煤炭采掘工作量也在逐年增加。與此同時(shí)煤礦采掘過(guò)程中的瓦斯爆炸、巷道圍巖變形、透水等事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約了煤炭開(kāi)采的效率，尤其是巷道圍巖變形，現(xiàn)已引起了煤炭企業(yè)的廣泛關(guān)注[1-3]。巷道支護(hù)作為控制圍巖變形的重要措施，其設(shè)計(jì)工作不僅涉及工程力學(xué)、巖土力學(xué)等理論知識(shí)，還要考慮巷道周?chē)膶?shí)際地質(zhì)條件，必須做到理論與實(shí)際的有效結(jié)合[4-5]。錨桿支護(hù)作為一種有效的主動(dòng)巷道支護(hù)方式，已在強(qiáng)化巷道圍巖和提高圍巖穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出了較好的應(yīng)用效果，并且具有支護(hù)成本低、巷道斷面利用率高、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[6]。因此針對(duì)某煤礦現(xiàn)有支護(hù)過(guò)程中存在的問(wèn)題，開(kāi)展支護(hù)方式的改進(jìn)設(shè)計(jì)工作，對(duì)于提高企業(yè)采煤的安全性和效益具有重要的意義。

1 巷道概況及存在的問(wèn)題

煤礦工作面處于丘陵地帶，煤層呈現(xiàn)單斜結(jié)構(gòu)，傾角較小，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，屬于低瓦斯礦井范疇。工作面煤層的賦存條件較為穩(wěn)定，煤層厚度分布于2.5～5.5 m 之間，平均的煤層厚度為4.5 m，煤層的普氏系數(shù)為0.7～1.6，煤的密度為1.4 t/m3。煤層頂部不涉及偽頂，直接頂?shù)牡刭|(zhì)組成主要是泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚度為1.1～13.5 m，平均厚度為7.5 m，普氏系數(shù)為2～4；直接頂之上主要是細(xì)砂巖，平均厚度為1.1 m，普氏系數(shù)為1～3；再往上是厚度為2.7～28 m 的黏土層，平均厚度為17.16 m，普氏系數(shù)為3～6；巷道直接底的地質(zhì)組成為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，再往下主要為砂巖。

隨著煤炭采掘深度的深入，煤層平均埋深已至475 m 左右，給巷道支護(hù)提出了更高的要求，煤炭掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了冒頂、片幫等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著工作面的安全，制約了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的進(jìn)一步提升。

2 巷道問(wèn)題分析與改進(jìn)策略

隨著巷道采掘深度的加深，冒頂、片幫等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。究其原因如下：第一是地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巷道周?chē)貞?yīng)力高、煤體的強(qiáng)度低、煤層的強(qiáng)度差異較大；第二是頂板層理發(fā)育，工作面直接頂為泥巖或沙質(zhì)泥巖，一旦出現(xiàn)微裂紋就會(huì)迅速擴(kuò)展，嚴(yán)重的位置將會(huì)出現(xiàn)石塊脫落，失去承載能力，進(jìn)一步發(fā)展就出現(xiàn)了冒頂問(wèn)題；第三是支護(hù)預(yù)緊力不足，煤炭掘進(jìn)過(guò)程中頂板應(yīng)力會(huì)傳遞至巷道的兩幫，在側(cè)壓系數(shù)不變時(shí)，將會(huì)增加兩幫上的水平應(yīng)力，峰值一般出現(xiàn)在巷幫位置。當(dāng)巷幫不能承受膨脹壓力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)整體外移，出現(xiàn)片幫問(wèn)題；第四是支護(hù)方式不合理，巷道支護(hù)采用的是金屬可縮性梯形支架支護(hù)，應(yīng)用過(guò)程中極易出現(xiàn)支架腿變形，導(dǎo)致巷道圍巖的整體破裂脫落，支護(hù)方式不能滿(mǎn)足巷道支護(hù)的要求。

綜上所述，支護(hù)方式落后是導(dǎo)致巷道出現(xiàn)冒頂和片幫等問(wèn)題的根本原因，基于此擬引進(jìn)較為先進(jìn)的錨桿支護(hù)技術(shù)，以提高煤礦工作面巷道支護(hù)的安全性。

3 回采巷道錨桿支護(hù)改進(jìn)

3.1 巷道斷面及支護(hù)形式確定

回采巷道作為煤炭采掘生產(chǎn)運(yùn)行的動(dòng)脈，巷道斷面設(shè)計(jì)是否合理與采煤掘進(jìn)過(guò)程中的安全生產(chǎn)和采煤效率息息相關(guān)，必須引起高度重視。通常巷道斷面設(shè)計(jì)需要堅(jiān)持如下原則：在確保巷道安全、施工可行的前提下，最大限度地發(fā)揮巷道斷面利用率，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用效果。巷道斷面的設(shè)計(jì)內(nèi)容和過(guò)程如下：首先根據(jù)煤炭采掘工作面實(shí)際情況確定巷道斷面的形狀和凈斷面尺寸，開(kāi)展風(fēng)速驗(yàn)算工作；其次以支架參數(shù)和巷道斷面參數(shù)為依據(jù)，計(jì)算確定巷道的煤炭掘進(jìn)斷面尺寸，要求充分考慮巷道允許的超挖值；最后為巷道的正常運(yùn)行鋪設(shè)水溝和管纜，形成巷道斷面的工程圖紙、巷道特征表、每米巷道施工的工程量和材料消耗量等。參照上述巷道斷面設(shè)計(jì)原則與步驟完成了巷道斷面的設(shè)計(jì)工作，如圖1 所示，斷面形狀為直墻半圓拱形巷道斷面，配套的支護(hù)形式為螺紋鋼樹(shù)脂錨桿支護(hù)。

圖1 支護(hù)形式

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

結(jié)合煤礦工作面的實(shí)際情況，完成了錨桿支護(hù)技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，整體布置方案如圖2 所示。

圖2 巷道支護(hù)的斷面和參數(shù)（單位：mm）

巷道錨桿支護(hù)時(shí)錨桿桿體使用的是直徑尺寸為Φ18 mm 的螺紋圓鋼，長(zhǎng)度尺寸為1 800 mm，錨桿之間的距離為900 mm，不同錨桿排之間的距離如圖2所示，錨桿的最大錨固力為140 kN，全錨桿錨固。采用10 號(hào)鐵絲縱橫交錯(cuò)編織而成的金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔形狀為菱形，規(guī)格為100 mm×100 mm，頂板位置使用的金屬網(wǎng)規(guī)格為4 200 mm×3 000 mm，側(cè)幫位置使用的金屬網(wǎng)規(guī)格為2 600 mm×3 000 mm，不同網(wǎng)片之間采用搭接焊接，要求搭接長(zhǎng)度不少于100 mm。因W 形狀的鋼帶制備較為困難，錨桿孔距的要求嚴(yán)苛，需要消耗大量的鋼材，成本較高，此處選擇較為常見(jiàn)的鋼筋作為鋼筋梁，直徑為Φ18 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 鋼筋梁結(jié)構(gòu)圖

配套的鋼筋托梁的參數(shù)如下：鋼筋直徑為Φ18 mm，托梁寬度為80 mm，加強(qiáng)筋間距為80 mm，長(zhǎng)度為3 200 mm。兩幫及其與頂板垂直連接的地方使用BHT-A 型托板，如圖4 所示，規(guī)格為Φ128 mm×30 mm，最大承載力為150 kN。巷道拱頂位置的傾斜錨桿使用BHT-B 型托板，如圖5 所示，包括托板和托板座兩部分組成。

圖4 BHT-A 型托板

圖5 BHT-B 型托板（單位：mm）

3.3 施工工藝

巷道施工和支護(hù)工藝是保證支護(hù)質(zhì)量的基礎(chǔ)，由此可見(jiàn)，規(guī)范的支護(hù)工藝流程至關(guān)重要。要求巷道掘進(jìn)時(shí)優(yōu)先使用光面爆破技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全斷面一次成形，嚴(yán)格控制炸藥用量和炮眼技術(shù)參數(shù)，降低出現(xiàn)超挖或者欠挖的情況。巷道掘進(jìn)步長(zhǎng)要求不大于3 000 mm，保證一次爆破成形，減少巷道二次拉底巖石時(shí)撞擊頂板錨桿和金屬網(wǎng)。巷道開(kāi)挖之后先完成50 mm 混凝土的噴射，掛規(guī)格型號(hào)為100 mm×100 mm的鋼筋網(wǎng)，在滯后巷道掘進(jìn)頭3 000 mm 的位置打錨桿安裝孔，孔徑尺寸Φ=42 mm，鉆孔的深度尺寸為2 000～2 200 mm，按照設(shè)計(jì)布置圖進(jìn)行施工。將鋼筋梁放入鉆好的孔內(nèi)，填充樹(shù)脂藥卷，之后將錨桿插入孔內(nèi)完成錨桿的一次安裝，緊固螺母要求在8 h 內(nèi)緊固完成。

4 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證錨桿支護(hù)技術(shù)在煤礦巷道支護(hù)過(guò)程中的應(yīng)用效果，對(duì)投入使用的巷道錨桿支護(hù)段進(jìn)行了跟蹤記錄，相較于原金屬可縮性梯形支架支護(hù)方式，錨桿支護(hù)能夠形成“圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)”，不僅能夠充分發(fā)揮圍巖的承載能力，還能夠調(diào)動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗力。錨桿支護(hù)技術(shù)的引入，大大改善了巷道內(nèi)部的工作環(huán)境，降低了采礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)節(jié)約了近20%的支護(hù)成本，提高了近10%的巷道斷面利用率。巷道掘進(jìn)過(guò)程中受采動(dòng)影響時(shí)，圍巖變形量降低近15%，降低了冒頂、片幫等事故的出現(xiàn)概率，減少了因故停產(chǎn)停工的時(shí)間，預(yù)計(jì)能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益近300 萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。