回采巷道支護問題分析與改進設計研究

崔亮亮

（山西霍寶干河煤礦有限公司， 山西 洪洞 031400）

引言

煤炭作為推動我國經濟飛速發展的主要能源之一，近年來的需求量越來越大，煤炭采掘工作量也在逐年增加。與此同時煤礦采掘過程中的瓦斯爆炸、巷道圍巖變形、透水等事故時有發生，嚴重制約了煤炭開采的效率，尤其是巷道圍巖變形，現已引起了煤炭企業的廣泛關注[1-3]。巷道支護作為控制圍巖變形的重要措施，其設計工作不僅涉及工程力學、巖土力學等理論知識，還要考慮巷道周圍的實際地質條件，必須做到理論與實際的有效結合[4-5]。錨桿支護作為一種有效的主動巷道支護方式，已在強化巷道圍巖和提高圍巖穩定性方面表現出了較好的應用效果，并且具有支護成本低、巷道斷面利用率高、維護簡單等優點[6]。因此針對某煤礦現有支護過程中存在的問題，開展支護方式的改進設計工作，對于提高企業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題

煤礦工作面處于丘陵地帶，煤層呈現單斜結構，傾角較小，地質條件簡單，屬于低瓦斯礦井范疇。工作面煤層的賦存條件較為穩定，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，直接頂的地質組成主要是泥巖和砂質泥巖，厚度為1.1～13.5 m，平均厚度為7.5 m，普氏系數為2～4；直接頂之上主要是細砂巖，平均厚度為1.1 m，普氏系數為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，普氏系數為3～6；巷道直接底的地質組成為砂質泥巖和細砂巖，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，給巷道支護提出了更高的要求，煤炭掘進過程中出現了冒頂、片幫等問題，嚴重威脅著工作面的安全，制約了企業經濟效益的進一步提升。

2 巷道問題分析與改進策略

隨著巷道采掘深度的加深，冒頂、片幫等問題時有發生。究其原因如下：第一是地質條件較為復雜，巷道周圍地應力高、煤體的強度低、煤層的強度差異較大；第二是頂板層理發育，工作面直接頂為泥巖或沙質泥巖，一旦出現微裂紋就會迅速擴展，嚴重的位置將會出現石塊脫落，失去承載能力，進一步發展就出現了冒頂問題；第三是支護預緊力不足，煤炭掘進過程中頂板應力會傳遞至巷道的兩幫，在側壓系數不變時，將會增加兩幫上的水平應力，峰值一般出現在巷幫位置。當巷幫不能承受膨脹壓力時，就會出現整體外移，出現片幫問題；第四是支護方式不合理，巷道支護采用的是金屬可縮性梯形支架支護，應用過程中極易出現支架腿變形，導致巷道圍巖的整體破裂脫落，支護方式不能滿足巷道支護的要求。

綜上所述，支護方式落后是導致巷道出現冒頂和片幫等問題的根本原因，基于此擬引進較為先進的錨桿支護技術，以提高煤礦工作面巷道支護的安全性。

3 回采巷道錨桿支護改進

3.1 巷道斷面及支護形式確定

回采巷道作為煤炭采掘生產運行的動脈，巷道斷面設計是否合理與采煤掘進過程中的安全生產和采煤效率息息相關，必須引起高度重視。通常巷道斷面設計需要堅持如下原則：在確保巷道安全、施工可行的前提下，最大限度地發揮巷道斷面利用率，以達到經濟實用效果。巷道斷面的設計內容和過程如下：首先根據煤炭采掘工作面實際情況確定巷道斷面的形狀和凈斷面尺寸，開展風速驗算工作；其次以支架參數和巷道斷面參數為依據，計算確定巷道的煤炭掘進斷面尺寸，要求充分考慮巷道允許的超挖值；最后為巷道的正常運行鋪設水溝和管纜，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計原則與步驟完成了巷道斷面的設計工作，如圖1 所示，斷面形狀為直墻半圓拱形巷道斷面，配套的支護形式為螺紋鋼樹脂錨桿支護。

圖1 支護形式

3.2 錨桿支護參數的確定

結合煤礦工作面的實際情況，完成了錨桿支護技術參數的設計，整體布置方案如圖2 所示。

圖2 巷道支護的斷面和參數（單位：mm）

巷道錨桿支護時錨桿桿體使用的是直徑尺寸為Φ18 mm 的螺紋圓鋼，長度尺寸為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 號鐵絲縱橫交錯編織而成的金屬網，網孔形狀為菱形，規格為100 mm×100 mm，頂板位置使用的金屬網規格為4 200 mm×3 000 mm，側幫位置使用的金屬網規格為2 600 mm×3 000 mm，不同網片之間采用搭接焊接，要求搭接長度不少于100 mm。因W 形狀的鋼帶制備較為困難，錨桿孔距的要求嚴苛，需要消耗大量的鋼材，成本較高，此處選擇較為常見的鋼筋作為鋼筋梁，直徑為Φ18 mm，具體結構如圖3 所示。

圖3 鋼筋梁結構圖

配套的鋼筋托梁的參數如下：鋼筋直徑為Φ18 mm，托梁寬度為80 mm，加強筋間距為80 mm，長度為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

巷道施工和支護工藝是保證支護質量的基礎，由此可見，規范的支護工藝流程至關重要。要求巷道掘進時優先使用光面爆破技術，實現全斷面一次成形，嚴格控制炸藥用量和炮眼技術參數，降低出現超挖或者欠挖的情況。巷道掘進步長要求不大于3 000 mm，保證一次爆破成形，減少巷道二次拉底巖石時撞擊頂板錨桿和金屬網。巷道開挖之后先完成50 mm 混凝土的噴射，掛規格型號為100 mm×100 mm的鋼筋網，在滯后巷道掘進頭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，按照設計布置圖進行施工。將鋼筋梁放入鉆好的孔內，填充樹脂藥卷，之后將錨桿插入孔內完成錨桿的一次安裝，緊固螺母要求在8 h 內緊固完成。

4 支護效果評價

為了驗證錨桿支護技術在煤礦巷道支護過程中的應用效果，對投入使用的巷道錨桿支護段進行了跟蹤記錄，相較于原金屬可縮性梯形支架支護方式，錨桿支護能夠形成“圍巖—支護結構”，不僅能夠充分發揮圍巖的承載能力，還能夠調動支護結構的抗力。錨桿支護技術的引入，大大改善了巷道內部的工作環境，降低了采礦工人的勞動強度，為企業節約了近20%的支護成本，提高了近10%的巷道斷面利用率。巷道掘進過程中受采動影響時，圍巖變形量降低近15%，降低了冒頂、片幫等事故的出現概率，減少了因故停產停工的時間，預計能夠為企業帶來直接經濟效益近300 萬元/年，取得了很好的應用效果。