大斷面巷道支護(hù)技術(shù)在采煤工程中的應(yīng)用

任紅建

（山西三元煤業(yè)股份有限公司， 山西 長治 046013）

引言

我國的采煤技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了較高的水平，煤礦采掘巷道的斷面面積在不斷增大[1-2]。同時煤礦開采正朝著縱深方向發(fā)展，使得煤礦工作面巷道圍巖的屬性變得越來越復(fù)雜[3]。復(fù)雜的圍巖屬性加上較大的巷道斷面面積，給巷道支護(hù)技術(shù)提出了較高的要求[4-5]。巷道支護(hù)是確保煤礦生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)，因此非常有必要對大斷面巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入的分析和研究[6]。結(jié)合某大斷面巷道具體案例，對其支護(hù)方案進(jìn)行了系統(tǒng)全面的設(shè)計，并將其應(yīng)用到采煤工程實踐中，取得了較好的應(yīng)用效果，對于提升巷道支護(hù)技術(shù)水平具有重要的實踐意義。

1 工程概況

某煤礦煤層厚度范圍為3.34～8.83 m，平均煤層厚度大小為7.3 m 左右，煤層的傾角為4°～11°，平均傾角為6°左右，煤層傾角不是特別大，屬于近水平煤層。工作面巷道斷面為矩形，寬度和高度分別為4.6 m 和4.4 m，巷道的斷面面積達(dá)到了20.24 m2，屬于大斷面巷道。巷道頂板圍巖主要是砂質(zhì)泥巖和黑色泥巖，而底板則主要為細(xì)砂砂巖，同時也包含有少量的砂質(zhì)泥巖。巷道頂板圍巖的物理屬性決定了其難以成形，在施工過程中存在較大的難度，對巷道支護(hù)提出了較高的要求。

2 采煤工程中大斷面巷道支護(hù)方案的確定

2.1 錨固體性能分析

基于上文介紹可知，研究的工作面巷道斷面比較大，且頂板圍巖屬性強度不是非常高，基于大采高進(jìn)行采煤時容易對圍巖穩(wěn)定性造成不良影響，因此，需要采用科學(xué)的支護(hù)技術(shù)對其進(jìn)行保護(hù)。在充分分析巷道圍巖屬性的基礎(chǔ)上，最終采用的支護(hù)方式為“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)片”的聯(lián)合支護(hù)。在進(jìn)行巷道圍巖支護(hù)施工時，特別要關(guān)注錨桿錨固力對圍巖穩(wěn)定性的影響，根據(jù)相關(guān)的理論和實踐經(jīng)驗表明，當(dāng)錨桿的錨固力比較合適時，錨桿和圍巖會緊密聯(lián)合在一起，可以將錨桿和圍巖視為一個整體。通過設(shè)置錨桿能夠顯著改善原本比較破碎的圍巖結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，在一定程度上可提升圍巖結(jié)構(gòu)的強度。另外，通過錨桿支護(hù)可以有效遏制圍巖破碎趨勢，對其變形和破碎情況進(jìn)行保護(hù)。

2.2 錨固支護(hù)技術(shù)參數(shù)的確定

利用直徑為6 mm 的圓鋼進(jìn)行焊接制作得到鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)孔為菱形，菱形邊長為100 mm，利用菱形鋼筋網(wǎng)對巷道頂板以及兩幫位置進(jìn)行保護(hù)。相鄰網(wǎng)片進(jìn)行搭接時要求搭接的寬度必須超過100 mm。再利用鋼筋梯子梁組合錨桿進(jìn)行支護(hù)，其中鋼筋梯子梁利用直徑為12 mm 的鋼筋進(jìn)行焊接制作，頂板中使用的錨桿為螺紋鋼錨桿，其直徑為20 mm，長度為2.4 m，相鄰錨桿之間的距離為1 m，相鄰兩排錨桿之間的距離為1 m。對錨桿進(jìn)行安裝時，還需要配套使用快速安裝螺帽以及鋼板托盤，其中托盤的規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。同時頂板通過錨索進(jìn)行補強支護(hù)，錨索采用的是螺紋鋼預(yù)應(yīng)力錨索，其直徑和長度分別為17.8 mm 和5.2 m，相鄰兩根錨索之間的距離為2.4 m，相鄰兩排錨索之間的距離為4 m。進(jìn)行錨索安裝時，還需要配套使用調(diào)心球形墊圈、鎖具以及鋼板托盤，其中鋼板托盤的規(guī)格尺寸為300 mm×300 mm×16 mm。兩幫部位采用的錨桿為玻璃鋼錨桿，其直徑和長度分別為18 mm 和2 m，相鄰兩根錨桿之間的距離為1 m，相鄰兩排錨桿之間的距離為1.2 m。安裝錨桿時使用的配套零部件與頂板相同。頂板錨桿和兩幫錨桿全部進(jìn)行預(yù)應(yīng)力安裝，其中預(yù)緊力分別不得低于100 N·m和60 N·m，見下頁圖1。

3 支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用及其效果

3.1 效果監(jiān)測方案設(shè)計

圖1 大斷面巷道支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

1）監(jiān)測內(nèi)容。為了驗證設(shè)計的大斷面巷道支護(hù)方案在采煤工程實踐中的應(yīng)用效果，按照設(shè)計的技術(shù)參數(shù)完成施工工作后，對煤礦工作面巷道的變形情況以及錨桿的受力情況進(jìn)行監(jiān)測，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，以檢驗支護(hù)效果。

2）監(jiān)測點的布置以及監(jiān)測方法。對于巷道表面的位移變形情況，主要是記錄巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平壳闆r。總共設(shè)置了兩個監(jiān)測站，其中第1 個監(jiān)測站與工作面迎頭部位的距離為10 m，第2 個監(jiān)測站與第1 個監(jiān)測站之間的距離為10 m。對于每個監(jiān)測站，都需要設(shè)置4 個測點，分別位于巷道4 個面的中間位置。在對應(yīng)的測點上鉆出直徑和深度分別為30 mm 和280 mm 的小孔，并向孔內(nèi)打入長度為300 mm 的木樁，再將釘子釘在木樁上作為測點。具體測量方法為“十字法”，基本原理如圖2 所示。通過測量圖中的AO、BO、CO、DO 四個數(shù)據(jù)，可以計算得到巷道表面的位移變形情況。對于錨桿載荷，將第1 個監(jiān)測站布置在與工作面迎頭距離為15 m 的部位，后續(xù)每間隔40 m 設(shè)置一個監(jiān)測站，共計設(shè)計了4 個監(jiān)測站。測量工具為本安型錨桿測力計，具體型號為MCS-400。利用專業(yè)的測量工具對每個測站的錨桿載荷進(jìn)行測量并取平均值。

圖2 大斷面巷道變形和錨桿載荷監(jiān)測站的布置情況

3.2 表面位移以及錨桿載荷監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.1 巷道表面位移變形情況

為了驗證設(shè)計的錨桿支護(hù)方案效果，對巷道圍巖表面的變形情況進(jìn)行了連續(xù)30 d 的監(jiān)測，記錄了兩個監(jiān)測站頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康木唧w數(shù)據(jù)，并將其繪制成連續(xù)的變化曲線，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測點巷道表面位移變形情況統(tǒng)計曲線

從圖3 中巷道圍巖表面的變形情況變化曲線可以看出，設(shè)置的兩個監(jiān)測點在經(jīng)過連續(xù)30 d 的變形之后基本保持穩(wěn)定，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?8 mm，兩幫移近量最大值為37 mm。對比兩個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測點1 的變形情況比監(jiān)測點2 的變異情況更加嚴(yán)重，說明與迎頭部位的距離越近，其變形情況越劇烈。對比相同監(jiān)測點的頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平靠梢园l(fā)現(xiàn)，兩幫移近量較頂?shù)装逡平恳蟆Ｕf明巷道掘進(jìn)過程中圍巖同時會受到垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的綜合作用，并且由于水平應(yīng)力造成的圍巖變形情況更加顯著。

進(jìn)一步分析巷道圍巖表面變形速度曲線可以發(fā)現(xiàn)，不管是哪個監(jiān)測點，其速度變化曲線大致可以劃分成為三個階段：第1 階段巷道圍巖表面變形速度比較快；第2 階段巷道圍巖表面變形速度有所減緩；第3 階段巷道圍巖變形速度降低為零，保持穩(wěn)定。從變形速度變化曲線分析可知，在剛開始的階段巷道圍巖的運動情況非常不穩(wěn)定，出現(xiàn)了比較大的變形。頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笞冃嗡俣确謩e為11 mm/3 d 和13 mm/3 d。就工作面巷道表面位移變形情況可以看出，設(shè)計的巷道支護(hù)方案達(dá)到了理想的效果，將巷道圍巖的變形控制在了非常小的范圍內(nèi)，不會對掘進(jìn)過程安全構(gòu)成威脅。

3.2.2 錨桿載荷監(jiān)測結(jié)果分析

錨桿載荷大小同樣是反映巷道圍巖支護(hù)效果的重要依據(jù)，通過對錨桿載荷的分析可以掌握其在服役過程中是否發(fā)生了破壞。如圖4 所示為監(jiān)測得到的錨桿載荷隨時間的變化情況。由圖中的變化曲線可知，在連續(xù)30 d 的監(jiān)測過程中，錨桿載荷首先是逐漸增大，并且初期變化速度較快，而后變化速度逐漸減緩，最終保持穩(wěn)定不再發(fā)生明顯變化。對比4 個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，與工作面迎頭之間的距離越近，對應(yīng)的錨桿載荷力越大，在距離工作面迎頭最遠(yuǎn)的第4 個監(jiān)測站，其錨桿載荷一直保持為0。總體而言，錨桿的載荷力都不是非常大，完全在安全的范圍以內(nèi)。從錨桿載荷監(jiān)測結(jié)果可以看出，設(shè)計的支護(hù)方案完全能夠滿足實際使用需要，可以確保巷道掘進(jìn)過程的安全。

4 結(jié)論

在充分分析大斷面巷道圍巖屬性的基礎(chǔ)上，提出“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)片”的聯(lián)合支護(hù)方案。將該支護(hù)方案應(yīng)用到工程實踐中，并對巷道圍巖的變形情況以及錨桿載荷的變化情況進(jìn)行了連續(xù)30 d 的監(jiān)測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不管是巷道頂?shù)装逡平俊蓭鸵平浚€是錨桿載荷大小，均在合理范圍內(nèi)。說明設(shè)計的巷道支護(hù)方案是合理的，達(dá)到了理想的效果，能夠確保巷道掘進(jìn)過程的安全。

圖4 監(jiān)測點錨桿載荷隨時間的變化曲線