巷道掘進支護技術工藝探討

王安紅

（山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046013）

引言

煤礦開采主要是在地底下進行，特殊的作業環境決定了煤礦開采前需要進行巷道掘進[1]。但巷道掘進過程會對原本平衡的圍巖結構體系造成破壞，如果不對巷道進行保護，有可能會發生垮塌等安全事故，威脅礦井安全[2-3]。實踐中為保證巷道掘進過程的安全，通常會配套使用支護技術，支護技術方案的優劣直接決定了巷道掘進過程的安全[4]。因此有必要對巷道掘進支護技術進行深入分析和研究，進而提升巷道掘進過程的安全程度。

1 煤層及巷道基本情況介紹

三元煤礦設計年生產能力達為150 萬t，其中的3 號煤層厚度范圍為3.17～5.29 m，厚度平均值約為4.75 m，煤層傾角范圍為3°～9°，平均傾角約為7°，可以看出煤層傾角相對較小，屬于近水平煤層。煤層中部位置存在一層矸石，將整個煤層劃分成為兩層結構。煤層的運輸巷道斷面形狀為矩形，寬度和高度分別為5 m 和3.3 m。巷道整個跨度相對較大，根據已有的實踐經驗表明，對于跨度相對較大的巷道，頂板中部區域非常容易出現破壞，進而引發冒頂問題。這對支護技術工藝方案提出了相對較高的要求。

運輸巷道的直接頂以砂質泥巖為主，同時部分區域包含有粉砂巖，直接頂厚度約為3 m。老頂以中細粒沙巖為主，厚度大約為5.68 m。老頂上部區域圍巖主要包括泥巖和砂巖，厚度平均值分別為11.27 m和17.25 m 左右。巷道的直接底主要為泥巖，內部包含有少量的植物化石，厚度平均值約為0.7 m。老底以砂質泥巖為主，部分區域存在中粒砂巖，厚度平均值約為3.63 m。基于已有的3 號煤層附近工程地質資料，可以發現煤層沒有出現瓦斯和煤突出的問題，沒有沖擊地壓危險。以下基于上述的煤礦煤層運輸巷道圍巖屬性，對其支護技術工藝方案進行設計。

2 運輸巷道掘進支護技術工藝設計

針對3 號煤層運輸巷道支護技術工藝方案進行設計時，需要充分借鑒煤礦其他巷道的支護實踐經驗，最終采用的是錨網索支護技術工藝方案。

2.1 頂板支護參數設計

頂板錨桿采用的是左旋螺紋鋼錨桿，其直徑和長度分別為22 mm 和2.4 m，相鄰兩根錨桿之間的距離設置為0.9 m，將相鄰兩排錨桿之間的距離設置為1 m，根據以上設置每排需要設置6 根錨桿。錨桿安裝時需要配套使用樹脂型錨固劑，數量為1 根，還需要配套使用一些零部件，主要包括墊圈、球墊和高強螺母。其中使用的拱形托盤必須具有很高的強度，托盤的規格尺寸為120 mm×120 mm×8 mm。為進一步提升錨桿的整體性，通過鋼筋梯梁將相鄰兩排錨桿進行連接，使用的梯梁長度和寬度分別為4.7 m 和80 mm，鋼梁與錨桿之間進行焊接連接。頂板表面還需要鋪設菱形金屬網，金屬網由10 號鐵絲焊接制作而成，菱形邊長為50 mm。金屬網的規格尺寸為5.3 m×1.1 m，安裝金屬網時要求搭接寬度超過100 mm，利用鐵絲進行牢固捆扎，使之形成整體。所有錨桿在安裝時都與頂板表面保持垂直，安裝誤差不得超過5°。完成安裝工作后需要實施二次預緊，要求預緊力矩超過300 N·m，以此保障錨固效果。

頂板中使用的錨索屬于高強鋼鉸線，其直徑和長度分別為18.9 mm 和5.3 m，相鄰兩根錨索之間的距離設置為2 m，相鄰兩排錨索之間的距離同樣設置為2 m。根據以上尺寸，每排需要設置2 根錨索。錨桿和錨索之間采用的是“2-0-2”的布置方式，即每間隔2 排錨桿設置1 排錨索。錨索安裝時需要使用2 支樹脂型錨固劑，還需要使用配套的拱形托盤，規格尺寸為300 mm×300 mm×15 mm，要求具備較高的強度。錨索同樣與頂板平面保持垂直安裝，角度誤差不超過5°，安裝剛完成時要求錨索的初始張力超過250 kN。

2.2 幫部支護參數設計

幫部只需要利用錨桿進行錨固即可，使用的錨桿型號和規格尺寸全部與頂板中使用的錨桿相同。相鄰兩根錨桿之間的距離為0.9 m，相鄰兩排錨桿之間的距離為1 m。其中最高處錨桿與頂板的距離為0.2 m，最低位置錨桿與底板的距離為0.4 m，每排設置有4 根錨桿。幫部位置錨桿安裝時全部與幫部平面保持垂直，安裝誤差控制在5°以內。

3 巷道掘進支護工藝實踐應用效果分析

為了對本文設計的煤礦煤層巷道掘進支護工藝方案的有效性進行驗證，將該方案應用到巷道掘進工業實踐中。在與開口部位距離不等的兩處位置設置兩個監測站，對巷道表面的位移變形情況以及巷道頂板附近圍巖的破碎情況進行監測。如圖1 所示為監測站的布置情況示意圖。

3.1 運輸巷道表面位移變形情況

如圖1 所示，本研究中總共對兩個監測站的巷道表面位移變化情況進行了監測，兩個監測站與開口部位的距離分別為1 200 m 和1 800 m?；凇笆纸徊娣ā睂ο锏辣砻嫖灰谱冃吻闆r進行測量，在巷道的四個表面的中點分別取點A、B、C、D，AD 和BC相連交于點O，利用測量工具測量AO、BO、CO、DO四個數值，即可計算得到兩幫和頂底板的位移變形情況。在剛開始的一個月時間內每間隔一個星期開展一次測量，一個月以后圍巖變形基本保持穩定，只需要每間隔一個月開展一次測量。如圖2 所示為兩個監測站頂底板和兩幫的位移變形情況隨時間的演變曲線。

圖1 運輸巷道監測站分布圖

圖2 巷道表面位移變形情況隨時間的演變曲線

從圖2 中數據可以看出，在剛開始階段不管是頂底板還是兩幫位置的位移變形速率相對較大，巷道表面出現了快速的位移變形。隨著時間的推移，巷道圍巖逐漸變得穩定，此時巷道表面的位移變形速率逐漸減緩。持續監測到28 d 和60 d 時第2 個監測站和第1 個監測站的頂底板位移變形量依次達到最大值，然后保持不變。穩定狀態下兩個監測站頂底板的最大位移變形量分別為62 mm 和73 mm。兩幫位置的位移變形演變規律與頂底板位基本相同，剛開始階段呈現出較大的變形趨勢，而后變形速率逐漸降低，最后保持穩定。穩定狀態下兩個監測站的兩幫變形量最大值分別為50 mm 和85 mm 左右。

基于以上數據可知，設計的巷道支護技術工藝方案在維系巷道圍巖穩定方面發揮了非常重要的作用。經過一段時間過渡后，巷道圍巖保持穩定，且圍巖表面最大位移變形量控制在了可接受范圍內，保障了巷道掘進過程的安全。

3.2 巷道頂板鉆孔窺視及結果

為分析運輸巷道頂板不同距離位置圍巖的變化情況，在監測站1 附近頂板位置進行鉆孔，鉆孔直徑為30 mm，鉆孔深度為5 m。利用專業的鉆孔窺視儀可以對孔壁的具體情況進行觀察。可以查看孔壁是否存在離層、破裂等問題，進而驗證巷道支護技術工藝方案的有效性。結果表明：與巷道頂板距離在0.1～0.2 m 范圍內，圍巖出現了比較嚴重的破碎現象，主要是因為距離頂板太近，圍巖表面在變形過程中將附近的巖石擠碎。與頂板距離在0.2～3.5 m 范圍內的圍巖，整體上比較完整，只有部分區域出現了破碎的現象。與頂板距離在3.5～5 m 范圍內的圍巖，基本上未發現有破碎的問題，整體上非常完整。由巷道頂板鉆孔窺視結果可以看出，除與巷道頂板距離較近的部分出現破碎問題外，其他位置的巷道圍巖整體上比較完整，沒有發生明顯的破碎。表明在巷道支護的作用下圍巖穩定性有了顯著提升。

4 結論

巷道掘進是煤礦開采過程中的重要施工環節，但巷道掘進過程會對附近圍巖原本平衡的結構造成破壞。為確保掘進過程安全，通常需要采取支護的方式對其進行保護。本文研究表明，采用錨網索支護，巷道圍巖表面的位移變形情況被控制在了安全范圍以內，且巷道頂板圍巖除與頂板相對較近的區域出現了破碎外，其余區域圍巖基本保持完整，有效保障了巷道掘進過程的安全。