（山西西山煤電股份有限公司西曲礦 山西 030200）

引言

在綜采技術(shù)取得快速發(fā)展的背景下，煤礦井下開(kāi)采深度有所增加，遭遇的地質(zhì)條件也更加復(fù)雜。受礦壓波動(dòng)因素影響，容易發(fā)生巷道頂板垮塌問(wèn)題，還要通過(guò)支護(hù)優(yōu)化保證作業(yè)安全。因此，還應(yīng)加強(qiáng)復(fù)雜條件下掘進(jìn)巷道頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以便通過(guò)優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)保證巷道掘進(jìn)高效、安全，繼而使綜采技術(shù)水平得到進(jìn)一步提升。

1.工程概況

1208巷位于二采區(qū)，東側(cè)為采空區(qū)，西部為采煤區(qū)，南部為采取邊界。按照東西走向進(jìn)行巷道布置，巷道長(zhǎng)1250m，斷面為矩形，寬和高分別為5.2m和3.5m。掘進(jìn)煤層屬于下二疊統(tǒng)山西組3#，平均厚6m，傾角平均達(dá)到4°。從煤層條件來(lái)看，夾矸層較多，沿著地板掘進(jìn)完成2.5m厚頂煤預(yù)留，掘進(jìn)達(dá)552m。煤層不存在偽頂，基本頂主要為粗砂巖和粉砂巖，相對(duì)穩(wěn)定，厚度平均6.9m。直接頂主要為炭質(zhì)泥巖，厚度平均為2.2m，帶有脆性和易破碎特點(diǎn)。在掘進(jìn)達(dá)到560m位置時(shí)，有正斷層出露，落差1.8m，傾角52°。

2.原支護(hù)方案缺陷

(1)支護(hù)方案

在巷道頂板支護(hù)方面，采用錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)方式，按照0.9m×1.0m間排距進(jìn)行錨桿布置6根φ22mm×2400mm左螺旋紋高強(qiáng)錨桿，每個(gè)搭配一卷CK2340和Z2388型號(hào)樹(shù)脂錨固劑。錨索采用長(zhǎng)5m、φ17.8mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，按照梅花型布置，首排設(shè)置3根，保持1.8m間距，之后一排布置2根，間距相同，排距達(dá)到2m。外露部署使用長(zhǎng)和寬均為0.3m的拱形鋼托盤(pán)進(jìn)行固定，并使用與錨桿相同的錨固劑加強(qiáng)錨固處理。針對(duì)巷道兩幫，利用錨桿進(jìn)行支護(hù)，每排布置3根φ22mm×2000mm左螺旋紋高強(qiáng)錨桿，間排距為1.0m，首根距離頂板保持0.5m距離。

(2)缺陷分析

從之前掘進(jìn)作業(yè)情況來(lái)看，支護(hù)失效率達(dá)到21%，失效現(xiàn)象主要為頂板下沉、破碎，局部發(fā)生冒落情況。而斷層的出現(xiàn)，將導(dǎo)致煤巖層整體性被破壞，出現(xiàn)面膠結(jié)穩(wěn)定性下降問(wèn)題。在掘進(jìn)過(guò)斷層帶時(shí)，上下盤(pán)煤巖層容易發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題，導(dǎo)致附近巖體同時(shí)受上覆巖層重力、構(gòu)造應(yīng)力和原巖應(yīng)力等多重力作用，導(dǎo)致頂板破碎、局部冒頂?shù)葐?wèn)題發(fā)生[1]。伴隨著掘進(jìn)繼續(xù)，斷層帶應(yīng)力持續(xù)增加，頂板表層因支護(hù)失效出現(xiàn)層狀破碎，并逐步向深處延伸，可能引發(fā)漏頂事故。在應(yīng)力集中的情況下，兩幫也將受到剪切作用，與頂板肩角煤柱難以得到預(yù)留，將造成巷道呈現(xiàn)出尖狀型。對(duì)原方案缺陷進(jìn)一步展開(kāi)分析，可以發(fā)現(xiàn)采用長(zhǎng)2.4m錨桿由于錨固段處于裂隙當(dāng)中，難以與煤體保持穩(wěn)定膠結(jié)。而每排完成6根錨桿的布置，并且每?jī)膳旁O(shè)置5根錨索，將造成每米需要進(jìn)行8.5個(gè)支護(hù)孔施工，將導(dǎo)致連續(xù)梁被破壞，引發(fā)嚴(yán)重巖體擾動(dòng)破壞。受這一因素影響，裂隙發(fā)育將有所夾具，導(dǎo)致圍巖松動(dòng)范圍擴(kuò)大。由此可知，巷道在545-575m區(qū)域?yàn)闃?gòu)造應(yīng)力破碎段，在原本支護(hù)方案失效率較高且存在明顯缺陷的情況下，掘進(jìn)至該段容易出現(xiàn)頂板支護(hù)失穩(wěn)問(wèn)題。

3.頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)錨桿支護(hù)優(yōu)化

為確保巷道掘進(jìn)能夠順利通過(guò)應(yīng)力破壞段，還要加強(qiáng)頂板支護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)有關(guān)參數(shù)優(yōu)化，以便形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)。為使錨桿的懸吊作用得到充分發(fā)揮，在錨桿優(yōu)化階段還應(yīng)選用柔性錨桿對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。具體來(lái)講，就是采用長(zhǎng)3.5m的鋼絞線(xiàn)進(jìn)行錨桿制作，直徑達(dá)到22mm，按照每排5根，間距1.1m和排距1.5m的方式進(jìn)行支護(hù)。在每根錨桿施工期間，還應(yīng)配備3根錨固劑，確保錨桿能夠與巖體面保持垂直。針對(duì)同排錨桿，應(yīng)在施工后利用長(zhǎng)1.5m和寬0.3m的鋼帶對(duì)外露端進(jìn)行加固，并搭配鋼方墊和鎖具進(jìn)行預(yù)緊處理。鋼帶采用“L”型，需要在頂板和巷幫兩段分別布置孔徑30mm的圓孔，保持1.0m間距[2]。針對(duì)鋼帶拐角位置，需要完成30mm孔徑圓孔布置。巷幫位置鋼帶為“LW”型，長(zhǎng)2m，利用長(zhǎng)2m的φ20mm左旋無(wú)縱筋螺旋鋼錨索進(jìn)行原有支護(hù)結(jié)構(gòu)替代，并對(duì)鋼帶進(jìn)行固定。將“L”型鋼帶安裝在肩角煤柱位置，需要與“LW”型鋼帶疊加。在施工期間，需要利用手持式鉆進(jìn)進(jìn)行錨固，錨桿外露長(zhǎng)在10-30mm之間，預(yù)緊時(shí)扭矩至少達(dá)到200N·m。

(2)錨索支護(hù)優(yōu)化

在錨索支護(hù)優(yōu)化方面，還要完成組合錨索懸板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用長(zhǎng)8m的φ21.6mm高預(yù)應(yīng)力錨索，搭配支護(hù)錨桿和長(zhǎng)4.5m、寬1.2m、厚4mm鋼板加強(qiáng)頂板支護(hù)。在距離鋼板兩端0.25m的位置，需要完成φ25mm圓孔布置，并在兩邊布置22mm圓孔，在四周和中部設(shè)置25mm圓孔。對(duì)鋼板進(jìn)行固定后，可以利用中間預(yù)留孔在頂板鉆孔，深度達(dá)到8m，完成MSKC23/40錨固劑填裝后，填裝兩支MSK23/80型錨固劑，然后進(jìn)行錨索固定。按照每排2根，間排距3m進(jìn)行布置，針對(duì)外露端還應(yīng)采用長(zhǎng)0.6m、寬0.35m“JW”型鋼梁進(jìn)行加固。利用長(zhǎng)和寬均為0.5m的鋼托板和鎖具預(yù)緊，確保應(yīng)力至少達(dá)到36MPa。在施工期間，還應(yīng)在一塊懸板施工完成后再進(jìn)行下一塊施工，兩塊懸板之間保持0.25m間隙，并設(shè)置間距2.0m、孔徑60mm的卸壓孔，孔深為5m[3]。為加強(qiáng)聯(lián)鎖保護(hù)，還要利用長(zhǎng)0.4m的φ30mm圓鋼托架加強(qiáng)懸板連接。在兩幫支護(hù)期間，還需要在鋼帶拐點(diǎn)位置利用φ17.8mm、長(zhǎng)5m預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行錨固，按照45°仰角進(jìn)行結(jié)構(gòu)布設(shè)，外露端利用長(zhǎng)0.5m鋼梁進(jìn)行處理。

(3)錨棚支護(hù)設(shè)計(jì)

考慮到破碎段存在應(yīng)力集中的問(wèn)題，除了對(duì)原本支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還要增設(shè)錨棚加強(qiáng)頂部支護(hù)。采用φ30mm、長(zhǎng)3m中空錨桿，按照每排3根、間距1.5m形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)布設(shè)。在施工時(shí)，還要在兩側(cè)布置φ10mm圓孔共5個(gè)，與中部圓孔聯(lián)通，與側(cè)孔保持0.5m的間距。完成錨桿安裝后，需要在尾端布置注漿管，采用泵送方式注漿。采用硅酸鹽水泥，按照1:1.2比例進(jìn)行注漿液配置，需要添加聚氨酯粘合劑加強(qiáng)注漿液粘合性。注漿時(shí)需要將壓力控制在1.0MPa左右，施工后利用膨脹水泥封堵錨桿端頭孔。在漿液充分凝固后，需要安裝長(zhǎng)4.5m工字鋼梁，利用螺母預(yù)緊。采用卡纜在兩端對(duì)3.5m棚腿進(jìn)行固定，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的同時(shí)，使頂梁能夠與頂板充分接觸。按照1.5m間距進(jìn)行錨棚支護(hù)，還要對(duì)相鄰棚進(jìn)行處理，在棚腿間設(shè)置兩組拉桿，保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。注漿體和錨桿能夠形成完整結(jié)構(gòu)，將不同層面裂紋串聯(lián)，有效避免或延緩巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖發(fā)生破裂現(xiàn)象，能夠使綜采作業(yè)期間頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到增強(qiáng)[4]。因此錨棚結(jié)構(gòu)具有較高的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)不容易發(fā)生變形，可以用于對(duì)復(fù)雜巷道的大變形頂板進(jìn)行支護(hù)，因此可以用在應(yīng)力集中巷道段的頂板支護(hù)上。

(4)桁架支護(hù)設(shè)計(jì)

破碎區(qū)由于承力結(jié)構(gòu)特殊，一旦巷道下沉頂板中部應(yīng)力最大，因此還要對(duì)中部進(jìn)行桁架支護(hù)，使下沉問(wèn)題得到有效控制。結(jié)合施工要求，還要采用縱向邁步式支護(hù)方案，利用φ17.8mm、長(zhǎng)5m的錨索進(jìn)行支護(hù)，并且搭配φ20mm、長(zhǎng)1.8m的圓鋼托架和雙向張拉器形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在各組桁架中，共包含2根錨索和2根托架，設(shè)置一根張拉器。沿著巷道走向，需要按照3m排間距進(jìn)行錨索施工，傾角控制在75°。在距離巷道左幫位置，可以進(jìn)行首組桁架施工。完成錨索安裝后，針對(duì)外露端還要采用圓鋼托架進(jìn)行處理，利用張拉器預(yù)緊。在距離巷道右?guī)?.5m位置，需要進(jìn)行一組桁架安裝，保持2m的錨索間距。兩組結(jié)構(gòu)可以按照邁步式形狀布置，直至掘進(jìn)工作面過(guò)破碎段。采用錨索能夠使深處巖層得到固定，利用圓鋼托架能夠構(gòu)成完整承載力，然后利用張拉器使錨索預(yù)拉力得到提升，繼而使結(jié)構(gòu)對(duì)頂板支撐的可靠性得到增強(qiáng)。

(5)支護(hù)效果分析

對(duì)頂板和兩幫支護(hù)效果進(jìn)行確認(rèn)，還要在新掘進(jìn)位置完成多個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)站的布置，對(duì)頂?shù)装搴蛢蓭褪諗苛繉?shí)施不間斷監(jiān)測(cè)。具體來(lái)講，需要每隔50m布置1組監(jiān)測(cè)站，包含2個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)儀，另外包含頂板離層、錨桿受力和錨索受力監(jiān)測(cè)裝置各1個(gè)。通過(guò)對(duì)破碎段掘進(jìn)期間礦壓進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，頂板最大下沉量能夠達(dá)到10m，而兩幫收斂值最大能夠達(dá)到7mm，由此可見(jiàn)巷道保持良好的成型效果，采取的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。此外，從錨桿和錨索受力情況來(lái)看，錨桿受力最大達(dá)到190kN，破斷力能夠達(dá)到350kN，錨索受力最大250kN，破斷力為607kN。整個(gè)過(guò)程中，錨桿和錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)應(yīng)力疊加問(wèn)題，同時(shí)受力也未超出限值，由此可知圍巖應(yīng)力得到了均勻分布。針對(duì)復(fù)雜的巷道條件，采用混合支護(hù)方式對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能夠使支護(hù)失效問(wèn)題得到解決，同時(shí)也能使原本錨桿、錨索支護(hù)材料使用量有所減少，使頂板支護(hù)難題得到順利解決。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，支護(hù)效率提高16.9%，成本降低11.2%。在施工效率得以加快的情況下，能夠加快巷道掘進(jìn)速度，在保證作業(yè)安全性的同時(shí)，提高施工經(jīng)濟(jì)性，因此能夠?yàn)楣こ淌┕?lái)可觀效益。

4.結(jié)論

針對(duì)復(fù)雜條件下掘進(jìn)巷道支護(hù)問(wèn)題，對(duì)原本錨桿和錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)增設(shè)錨棚和桁架支護(hù)措施提高頂板支護(hù)強(qiáng)度，使頂板和兩幫變形得到有效控制。從方案應(yīng)用效果來(lái)看，能夠使復(fù)雜區(qū)域頂板穩(wěn)定性得到保證，加快巷道掘進(jìn)速度的同時(shí)，確保人員施工安全，因此能夠增強(qiáng)施工經(jīng)濟(jì)性和可靠性。