大斷面支護(hù)方式淺析

◎魯尚軍 馬立功

隨著煤礦行業(yè)的迅猛發(fā)展，各種先進(jìn)的生產(chǎn)工藝與煤礦生產(chǎn)完美結(jié)合，使煤礦產(chǎn)能進(jìn)一步被開發(fā)，建設(shè)千萬(wàn)噸大礦早已不是夢(mèng)想，各種大型機(jī)械設(shè)備在煤礦的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但同時(shí)也會(huì)面臨一些困難：大型機(jī)械設(shè)備需要更大的安裝使用空間，在掘進(jìn)施工過(guò)程中，大斷面巷道的施工工藝以及支護(hù)方式將會(huì)是所有大型礦井面臨的問(wèn)題，是急于解決的問(wèn)題，施工工藝及支護(hù)方式已被高度重視。

根據(jù)曉南礦煤礦實(shí)際情況，以斷面積在20㎡以上的斷面界定為大斷面。根據(jù)地質(zhì)條件不同，大斷面巷道的施工工藝及支護(hù)方式也會(huì)不同，結(jié)合曉南礦的復(fù)雜地質(zhì)條件，對(duì)采煤工作面切眼大斷面巷道的施工工藝、支護(hù)方式進(jìn)行探討和分析，對(duì)其他地質(zhì)條件的大斷面巷道施工方法提供理論依據(jù)及實(shí)踐指導(dǎo)。

一、巷道破壞形態(tài)及分析

錨桿支護(hù)巷道變形破壞的過(guò)程如下：頂板整體穩(wěn)定性遭到掘進(jìn)破壞而離層彎曲，金屬網(wǎng)下垂形成掉包；兩幫在頂板巖層擠壓下發(fā)生變形、片幫，上部錨網(wǎng)控制區(qū)內(nèi)擠壓成凸形，下部煤巖壁片幫，錨桿失效；底板自由變形，底鼓現(xiàn)象普遍，巷道總體空間收斂，最終造成巷道變形破壞。壓力顯現(xiàn)明顯的主要原因：支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，巷道成形質(zhì)量及支護(hù)質(zhì)量差是錨網(wǎng)支護(hù)巷道變形破壞的關(guān)鍵所在。

1.主要原因有：

（1）巷道成形質(zhì)量差。

巷道成形不均，凹凸不平，承壓不均勻，造成局部地段壓力集中，使設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度不能承擔(dān)頂板壓力，造成掉包、變形，最終破壞。

（2）支護(hù)質(zhì)量差。

錨桿托盤緊固不及時(shí)，端頭錨固的錨桿支護(hù)方式就是依靠托盤提供錨固力的，根據(jù)樹脂藥卷特性，要求藥卷在凝固后3至5分鐘，就要立即對(duì)錨桿進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致巷道受力在平衡的過(guò)程中隨圍巖的蠕動(dòng)變形被自然“預(yù)緊”，致使初始圍巖運(yùn)動(dòng)不受限制，層間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大減弱，圍巖松動(dòng)圈進(jìn)一步擴(kuò)大，為巷道變形破壞提供了條件。

（3）錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)不合理。

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)一般按照經(jīng)驗(yàn)類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏理論依據(jù)，尤其在大斷面巷道的施工過(guò)程中，一方面缺少斷面類比數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)，另一方面經(jīng)驗(yàn)類比法也不可靠，類比法雖能滿足部分巷道對(duì)支護(hù)強(qiáng)度的要求，但更多情況下是強(qiáng)度過(guò)大造成隱形浪費(fèi)，或強(qiáng)度不夠造成巷道破壞。

2.采取的措施：

（1）采用綜掘工藝施工巷道，與爆破施工工藝比較，更具安全性，且在巷道成形及對(duì)圍巖的破壞方面更有優(yōu)勢(shì)。

（2）確保施工質(zhì)量，尤其在錨桿預(yù)緊及錨桿間排距、巷道成型方面。

（3）采用更科學(xué)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，依靠先進(jìn)的支護(hù)理論設(shè)計(jì)巷道支護(hù)用的錨桿長(zhǎng)度、間排距等，是支護(hù)設(shè)計(jì)更科學(xué)，更可靠，且能提高施工進(jìn)度，節(jié)支降耗。

二、斷面設(shè)計(jì)

巷道斷面及其尺寸是巷道斷面設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，是巷道掘進(jìn)施工與支護(hù)的依據(jù)，我國(guó)煤礦巷道的斷面形狀常選用矩形、梯形、直墻圓拱形斷面，其合理與否直接影響到煤礦生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)效果。本論文以鐵法煤業(yè)集團(tuán)曉南煤礦北一1501切眼工作面為例進(jìn)行探討研究。

1.巷道尺寸的確定。

由于切眼設(shè)計(jì)要滿足回采準(zhǔn)備期間三機(jī)和液壓支架安裝條件，經(jīng)設(shè)備選型后，將巷道掘進(jìn)斷面確定為高3000mm，掘進(jìn)寬度7000mm。從用途方面考慮，矩形斷面可滿足需要。

2.從斷面形狀受力方面考慮。

先從矩形斷面、半圓拱形斷面的受力情況做一比較：

（1）矩形斷面巷道中，頂板簡(jiǎn)化為兩邊固定、受均勻分布載荷的壓力，該斷面巷道頂板受巷幫巖體的支撐作用，給巖體的反作用力并非是均勻分布的。即巷道幫部作為支點(diǎn)，幫部承擔(dān)頂幫交接處的壓力，該處頂板不承壓，頂板中頂處壓力集中，從現(xiàn)場(chǎng)觀察，也是中頂處頂板最先變形、甚至破壞，也就是說(shuō)矩形斷面并不能把壓力均勻分布，而是造成壓力集中，容易發(fā)生冒頂事故，且?guī)筒枯^高，巷高小于2m時(shí)還能支撐，如果換做巷高達(dá)到5.2m的大斷面，幫部太高，極易造成偏幫，發(fā)生事故。

（2）分析拱形斷面受力，頂板處圍巖給頂板施加的壓力仍然是均勻分布的。該斷面由于頂板成半圓形，頂板作用給圍巖的作用力方向是與巷道設(shè)計(jì)輪廓線切線垂直，通過(guò)半圓周反作用力的合力，與頂板壓力達(dá)到平衡。

三、支護(hù)設(shè)計(jì)

煤礦進(jìn)行巷道支護(hù)是為了使巷道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定的一種措施，用支護(hù)的方式防止圍巖發(fā)生運(yùn)動(dòng)甚至坍塌，提高圍巖自身的支持能力，從而來(lái)維護(hù)正常的工作。在對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，選擇的材料支護(hù)方式很多，有木質(zhì)支架、金屬支架以及錨桿支護(hù)等，最初是使用木質(zhì)支架進(jìn)行巷道支護(hù)的，但是由于井下環(huán)境潮濕，木質(zhì)材料長(zhǎng)時(shí)間易于變質(zhì)腐爛，造成支護(hù)效果差。金屬支架運(yùn)輸困難，成本高，施工難度大。錨桿支護(hù)方式工藝簡(jiǎn)單，支護(hù)效果好，成本低，所以將支護(hù)方式確定為錨網(wǎng)索噴支護(hù)。

四、實(shí)踐及結(jié)論

將曉南煤礦北一1501切眼工作面的大斷面作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該斷面掘進(jìn)高度3000mm，掘進(jìn)寬度7000mm，掘進(jìn)斷面積21m3。在施工該大斷面巷道時(shí)，要提前探明頂板巖性，選擇頂板穩(wěn)定、巖性整體性好的地段施工，更能保證巷道在施工、使用時(shí)的效果。

根據(jù)具體情況及理論計(jì)算，最終選定錨桿長(zhǎng)度為2200mm，間排距為800×900mm，錨索長(zhǎng)度5200mm，錨索直徑Φ21.6，間排距為1800×1800mm。

在該條件下按照該方法施工，北一1501切眼工作面的大斷面在施工過(guò)程中頂板穩(wěn)定，未發(fā)生片幫及冒頂事故，且整個(gè)安裝過(guò)程中，頂板情況依然良好，無(wú)明顯下沉現(xiàn)象綜采工作面回采期間，在巷道內(nèi)架木垛加強(qiáng)支護(hù)，使該斷面順利回采，最終達(dá)到施工、使用、回撤均順利、安全。

五、總結(jié)

在煤礦設(shè)備大型化的趨勢(shì)下，大斷面巷道的掘進(jìn)施工、使用效果及回采安全均已成為必須面臨和解決的困難，本文從理論上分析計(jì)算，在曉南煤礦北一1501切眼工作面進(jìn)行了實(shí)踐，取得了良好效果，但煤礦頂板冒落的本質(zhì)機(jī)理十分復(fù)雜，理論傳統(tǒng)的計(jì)算與實(shí)際情況存在差別，不同地質(zhì)條件下的大斷面將面臨哪些不同的問(wèn)題，還有待進(jìn)一步研究。