屯蘭礦18407回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

張國毅

(西山煤電集團(tuán)公司 屯蘭礦，山西 古交 034100)

巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)初期，由于考慮的因素不夠全面，常出現(xiàn)初始支護(hù)方案難以滿足巷道圍巖控制的要求，導(dǎo)致巷道圍巖變形量較大，嚴(yán)重制約著巷道正常使用和井下安全高效生產(chǎn)[1-4]。對此，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者專家和礦山科技工作者進(jìn)行了大量的研究，得出了許多值得借鑒的成果。王澤睿[5]基于對大采高工作面超前支護(hù)原單體支護(hù)方式存在的弊端分析，提出了邁步式液壓超前支架支護(hù)方式。潘峰和李四忠[6]對大陽煤礦3306軌道巷道原支護(hù)所存在問題進(jìn)行分析，對巷道原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。張海軍[7]針對裕泰煤業(yè)15104回風(fēng)巷原支護(hù)參數(shù)不合理的情況，基于對巷道圍巖穩(wěn)定性的分析，提出了優(yōu)化支護(hù)方案。賈雨[8]針對傳統(tǒng)巷道錨網(wǎng)鎖支護(hù)方式支護(hù)效率低、勞動強(qiáng)度大的問題，提出了采用柔性錨桿替代傳統(tǒng)錨網(wǎng)索對巷道進(jìn)行支護(hù)的優(yōu)化方案。本文基于上述研究成果，結(jié)合屯蘭礦18407回風(fēng)巷實(shí)際工程地質(zhì)條件，基于對現(xiàn)有支護(hù)方式存在問題的分析，對原巷道支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

屯蘭礦主采8號煤層，煤層厚度3.15～5.57 m，平均厚度4.36 m；煤層傾角0～7°，平均傾角2°；煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。18407回風(fēng)巷埋深約260 m，平面布置如圖1所示。巷道斷面為矩形，凈寬×凈高=4.8 m×3.2 m，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。

圖1 2107巷平面布置

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 巷道原支護(hù)方案及存在的問題

18407回風(fēng)巷原支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿采用D20 mm×2 400 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂板每排布置6根錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm。頂板錨索采用SKP22-1/1720-5400高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用“二〇二”的布置形式，間排距為2 000 mm×2 400 mm。幫錨桿采用D18 mm×1 800 mm的玻璃鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，見圖2。18407回風(fēng)巷原支護(hù)方式下支護(hù)密度大，但支護(hù)效果不理想，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e達(dá)到324.52 mm和406.25 mm，巷道圍巖控制效果較差，嚴(yán)重制約了巷道的正常使用。分析原因主要有：頂錨桿和錨索參數(shù)選取不當(dāng)，支護(hù)強(qiáng)度不夠，難以有效控制巷道頂板下沉；兩幫所采用的玻璃鋼錨桿強(qiáng)度較低，無相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。因此，需對原有支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確保巷道圍巖穩(wěn)定。

圖2 巷道原支護(hù)斷面(mm)

3 巷道優(yōu)化支護(hù)方案

針對巷道原支護(hù)方式對巷道圍巖變形控制效果不理想的問題，分別對巷道頂板和兩幫支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖3所示，具體如下：

圖3 巷道優(yōu)化支護(hù)斷面(mm)

1) 頂板支護(hù)：頂板錨桿采用D22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，緊靠巷幫的錨桿距幫250 mm，所有頂錨桿均垂直于頂板布置；錨固方式為樹脂加長錨固，每個錨桿孔放MSK2335和MSZ2360樹脂錨固劑各1支；錨桿錨固力不小于150 kN，預(yù)緊力矩不小于400 N·m；頂錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm的拱型高強(qiáng)度鋼托盤。頂板錨索采用SKP22-1/1720-6400高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用“二〇二”的布置形式，間排距為2 000 mm×2 400 mm；每個錨索孔放1支MSK2335和2支MSZ2360樹脂錨固劑；錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心鋼托盤；頂錨索預(yù)緊力不小于300 kN。金屬菱形網(wǎng)用10號鐵絲編制而成，頂網(wǎng)規(guī)格5.2 m×1.3 m，網(wǎng)孔規(guī)格45 mm×45 mm。采用型號為HBPP30-30MS承受力30 kN的塑料網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為30 mm×30 mm。頂鋼筋托梁用D14 mm鋼筋焊接而成，規(guī)格為4 300 mm×80 mm(長×寬)，五孔。

2) 兩幫支護(hù)：幫錨桿采用D20 mm×2 000 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，兩幫每排4根錨桿，上面3根錨桿施工在鋼筋托梁孔內(nèi)，最下面一根錨桿搭配W鋼帶護(hù)板施工，最上面一根距頂板300 mm，最下一根距底板400 mm，上面三根錨桿間距為900 mm，第三根與第四根錨桿間距800 mm，排距1 200 mm；錨固方式為樹脂加長錨固，每個錨桿孔放MSK2335和MSZ2360樹脂錨固劑各1支；錨固力不小于70 kN，預(yù)緊力距不小于40 N·m；幫錨桿托盤為配套塑料托盤；幫鋼筋托梁規(guī)格長1 900 mm×80 mm(長×寬)，三孔。網(wǎng)片采用金屬菱形網(wǎng)，幫網(wǎng)規(guī)格為3.5 m×1.3 m，網(wǎng)孔規(guī)格45 mm×45 mm。采用BHW-280-4-400型W鋼帶護(hù)板，規(guī)格為400 mm×280 mm×4 mm(長×寬×厚)。幫錨索采用“一○一”布置方式，錨索布置在兩排幫鋼筋托梁正中位置，距頂、底板均為1 650 mm，排距2 400 mm。

4 支護(hù)效果評價

為了評價18407回風(fēng)巷采用優(yōu)化支護(hù)方案后的圍巖控制效果，采用十字測點(diǎn)法在18407回風(fēng)巷內(nèi)布置測站，對巷道表面位移情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在18407回風(fēng)巷內(nèi)共布設(shè)2個測站，測站間距為100 m，觀測頻率為3 d/次，持續(xù)觀測60 d，觀測數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可知，1號和2號測站所觀測到的巷道表面移近量隨時間的變化趨勢基本一致。如圖4所示，在0～30 d內(nèi)，1號和2號測站巷道表面變形量較大，其中1號測站巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為103.92 mm和126.32 mm，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃嗡俾史謩e為3.46 mm/d和4.21 mm/d；2號測站巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為110.31 mm和145.61 mm，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃嗡俾史謩e為3.68 mm/d和4.85 mm/d。在30 d以后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭捅砻孀冃位沮呌诜€(wěn)定，表明巷道圍巖已處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，由圖4可知，在為期60 d的持續(xù)觀測期內(nèi)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為112.69 mm和149.52 mm，巷道圍巖變形量在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，表明優(yōu)化后的支護(hù)方案對巷道圍巖變形取得了有效的控制。

圖4 巷道表面移近量隨觀測時間的變化曲線

5 結(jié) 語

通過對18407回風(fēng)巷原支護(hù)問題的分析，針對性對巷道頂板錨桿(索)參數(shù)進(jìn)行修改，提出將兩幫玻璃鋼錨桿替換為螺紋鋼錨桿，并采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：采用優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃嗡俾史謩e為3.68 mm/d和4.85 mm/d，頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為112.69 mm和149.52 mm，巷道圍巖控制效果顯著，為井下安全生產(chǎn)提供了保障。