基于交叉點支護設計對井巷支護效果優化

石耀強

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

一直以來，煤礦安全生產問題備受企業和領導的關注。對于老礦井而言，在設計初期主要以錨噴和U 型棚支護為主，隨著開采深度的增加和生產能力的提升，在傳統支護條件下綜采工作面出現巷道兩幫片幫、工作面頂板冒頂、巷道變形嚴重等破壞現象。為保證綜采工作面的生產安全性，提升對井巷圍巖變形的控制效果，避免設備與人員遭受到安全威脅，需對老礦井的支護方案進行優化設計[1]。

1 工程概況

本文以西銘礦22407 工作面為例對其覆巖及地表地質變化進行分析，該工作面的走向長度為3 224 m，其中傾斜工作面的總長度為284.3 m。經探測，工作面的煤層結構相對簡單，屬于穩定性煤層。22407工作面的頂底板情況如表1 所示：

表1 22401 工作面頂底板情況

經探測，2401 工作面上方覆巖的厚度范圍為35 m～98.5 m，覆巖的平均厚度為42 m。該工作面的平均涌水量為75 m3/h；相對瓦斯涌出量為0.08 m3/t。目前，在實際開采中工作面采用錨桿+錨索與金屬網聯合支護方式進行支護。經對22407 工作面礦壓觀測可知，該工作面最大來壓強度為48.7 MPa，周期來壓的最大強度值為49.5 MPa。而且工作面存在風沙滲透的情況，說明地表可能存在裂隙[2]。因此，急需對22407 開采的覆巖和地表地質變化進行分析。

2 巷道圍巖控制現狀分析

22407 工作面巷道的變形特征如下幾點：

1）在實際開采過程中，22407 工作面巷道的變形量較大且變形速度較大。

2）巷道頂板、兩幫以及底板均呈現不同程度的移近。

3）22407 工作面當前所采用的錨桿、錨索等支護期間出現失效甚至被拉斷的情況。

結合對巷道變形破壞特征情況的綜合分析，可將巷道變形破壞的原因歸納如下：

1）在對巷道進行支護設計之前未對圍巖地質特征進行充分調查，對工作面的水文地質研究不夠，導致在實際施工中出現積水、淋水情況時未及時處理。

2）巷道支護設計為充分考慮圍巖的應力狀態，僅單純考慮圍巖類別和巷道尺寸對支護參數的影響。

3）當前支護強度較弱，對巷道圍巖的控制能力較弱，總結為支護設計參數設計不合理[2]。

3 巷道支護優化設計及效果分析

3.1 交叉點支護設計

綜合分析導致22407 工作面巷道破壞原因，可通過對工作面大斷面交叉點進行支護，并將新支護技術應用于巷道支護中以提升對巷道圍巖變形的控制效果。所謂交叉點指的是，巷道向兩個或多個方向進行掘進時，由于掘進方向的變化而形成的交叉區段。根據掘進方向的變化情況，可將交叉點分為“Y”“十字”“X 字”以及“T 字”形交叉點。巷道交叉區段在實際掘進或開采時的變形特征可總結為：交叉區段的應力集中現象明顯、屬于最易被破壞的區域、交叉區域的變形量最大。因此，應對工作面存在交叉段區域采用特殊的支護方式，以減小該區域的變形量和應力集中情況[3]。結合22407 工作面交叉區段的實際情況，其屬于Y 字形交叉區段。本節將基于數值模擬軟件對交叉點卸載過程進行模擬，對其支護設計提供依據。

3.1.1 交叉區段開挖順序的確定

結合巷道交叉區段的實際情況，半圓拱形的斷面巷道中，半圓拱的直徑為5 m，半圓拱下方矩形的長度為5 m，高度為1.5 m。結合對巷道巖層的勘測結果，對模型中的巖體參數進行設置，所建立的計算模型如圖1 所示。

圖1 交叉區段計算模型示意圖

如圖1 所示，AB 為主巷道的方向，C 為支巷道其中的一點，D 為主巷道和支巷道的交叉區段。結合多年交叉區段開挖順序的不同會對巷道圍巖的變形造成不同程度影響的經驗，為盡可能地減少由于開挖順序不同而導致對巷道圍巖造成的變形量，本方案采用AB 同時開挖至D，而后由D 交叉點挖至支巷C 處的挖掘順序對工作面進行掘進開采[4]。

3.1.2 主巷與支巷夾角的確定

從理論上將，對于交叉區段而言當主巷與支巷之間的夾角不同時，巷道所承受的應力及對應的變量也不同。因此，本節對夾角為60°（Y 形交叉巷道）和90°（T 形交叉巷道）時對巷道位移的影響進行仿真分析，結果如圖2 所示：

分析圖2 可知，當主巷與支巷的夾角為60°時對應巷道的位移大于夾角為90°時的情況。因此，對于22407 工作面的Y 形交叉區段（夾角為60°），為盡可能減小在開采掘進過程中由于巷道夾角不同所導致的巷道位移量，將Y 形交叉區段改造為T 形交叉區段（夾角為90°）。

3.1.3 交叉點支護參數的設計

針對交叉區段特殊支護要求，采用在錨桿+錨索支護的基礎上，增加高凸鋼帶的支護設計提升支護效果。而且，將傳統錨索的平行布置形式改進為三花布置形式。交叉點的具體支護參數如下[5]：

1）頂板錨桿參數：所選錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2 500 mm，錨桿間距為700 mm，錨桿排間距為700 mm，同時錨桿采用三花布置的方式進行安裝；該錨桿采用高凸梯形托盤進行強化支護。

圖2 不同巷道夾角對巷道變形的影響

2）錨索參數：所選錨索的直徑為18.9 mm，對應長度為8 000 mm，錨索間距為1 400 mm，錨索排間距為2 100 mm，同樣采用三花布置方式對錨索進行安裝布置。

3）底角錨桿參數：所選錨桿直徑為32 mm，錨桿類型為無縫鋼管，錨桿長度為2 500 mm，錨桿間距為200 mm，錨桿排間距為70 mm，并且采用三花布置方式進行安裝固定。

4）在錨桿錨索支護后的巖層表面鋪設金屬網，所選用金屬網的規格為70 mm×70 mm，金屬網的長為1 470 mm，寬為910 mm。

3.2 支護效果驗證

為驗證交叉區段的支護效果，在被支護區段的圍巖變形情況進行監測，共在三處位置進行監測，監測結果如表2 所示：

表2 交叉區段支護效果監測

如表2 所示，對交叉區段挖掘順序、交叉形式以及支護參數進行優化設計后，被支護工作面的水平位移最終穩定于100 mm 左右，而垂直位移最終穩定于60 mm 左右。

4 結論

1）將該交叉區段巷道的開挖順序確定為：A、B同時開挖至D，而后由D 交叉點挖至支巷C 處；

2）將巷道交叉區段Y 形交叉點改造為T 形交叉點；

3）對交叉區段采用錨桿+錨索聯合支護的技術上，采用高凸鋼帶和金屬網強化支護；

4）經試驗可知，對交叉區段進行支護設計后工作面在水平方向的位移被控制在100 mm 左右，在垂直方向的位移被控制在60 mm 左右。