煤礦井下巷道支護工藝的優化研究

王小紅

（長治市能源工程技術中心，山西 長治 046000）

引言

巷道在綜采作業過程中出現的垮塌是一種比較嚴重的安全生產事故，不僅嚴重影響煤礦井下綜采作業的效率，而且會造成較為嚴重的人員傷亡事故。目前，多數煤礦對井下巷道支護時主要采用單錨桿支護為主、人工補強支護為輔的支護結構。這種支護結構布局不合理、支護工作量大、效率低下，已經成為制約井下巷道掘進效率進一步提升的關鍵因素，因此需對巷道支護結構進行優化，提高布局合理性，在確保支護效果良好的情況下減少支護工作量，降低支護成本，提高支護效率和安全性。

1 井下支護工藝優化

以井下常規的巷道布局結構為例，其工作面順槽永久支護斷面為5.4 m×3.8 m，本文提出的新的巷道支護結構（如圖1所示）以錨網索聯合支護為核心，滿足在復雜地形條件下支護可靠性的需求[1]。

圖1 井下巷道支護結構示意圖（單位：mm）

由圖1可知，在頂板支護時，錨桿為22 mm高強度錨桿，其鋼號為HRB500，長度2.4 m，桿尾螺紋為M24。采用K2350型錨固劑進行錨固，鉆頭直徑為28 mm，錨固長度為1 000 mm。采用高強螺母作為錨桿配件，采用150 mm×150 mm×10 mm蝶形托板。在進行錨桿設置時，頂角錨桿打設偏角為與垂直向上方向成20°，其他錨桿需要和上方的頂板保持垂直。

在巷道上方采用金屬防護網，網孔尺寸為40 mm×40 mm，錨桿排距為900 mm，每排7根錨桿，在0～70 m之間錨桿間距為850 mm，在70～1 849 m之間錨桿間距為830 mm。設置錨桿扭矩為300 N·m，錨固力為200 kN，以保證緊固的可靠性。

錨索是直徑為22 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為8 300 mm，鉆頭直徑為28 mm，使用3支K2350低黏度錨固劑，錨固長度為1 500 mm。托盤尺寸為300 mm×300 mm×16 mm，再設置一套可調心的球墊和鎖具與之配套[2]。錨索的設置為，沿巷道前進方向按4-3-4設置，按1 700 mm、1 275 mm設置錨索間距，按900 mm設置錨索排距，對于行人側錨索的施工可滯后綜采面10排進行，若巷道迎頭頂板出現碎裂，則需要沿著綜采面進行錨索支護。錨索預緊力為25 t、錨固力為60 t。采用10號鉛絲對錨索托盤進行“一”字捆綁，要求在錨索上至少纏兩圈，雙股“一”字將其捆綁在頂網上。

2 巷道支護參數校核

在確定支護方案后，需要對關鍵的支護參數進行校核，使其滿足支護安全性的需求。根據分析，在支護時的核心參數主要有錨桿長度、錨桿直徑、錨索長度等，采用懸吊作用理論完成錨桿支護參數的校核[3]。

2.1 錨桿長度L桿的確定

式中：L1為錨桿外露長度，取0.12 m；L2為錨桿有效長度，取1.212 m；L3為錨桿插入巖層的長度，取0.4 m。

故錨桿長度L桿=1.732 m。根據井下常用錨桿的標準規格，選取錨桿長度2.4 m，滿足要求。

2.2 錨桿直徑d的確定

d=L/110=2.4/110=21.8 mm，取22 mm，滿足要求。

2.3 錨索長度L索的確定

式中：La為錨索插入巖層的長度，經計算La=1.971 m；Lb為需要懸吊的不穩定巖層厚度，取0.5 m；Lc為上托盤與錨具的總厚度，取0.14 m；Ld為需要外露的張拉長度，取0.15 m。

故錨索長度L索=2.761 m。施工時取錨索長度大于2.8 m即可，具體長度根據井下實際情況得以確定，本文選擇最常用的通用尺寸8.3 m，完全滿足支護安全需求。

3 巷道支護技術要求

為了提升錨桿在支護過程中支護的便捷性，以及提高錨桿孔設置效率，經過對多種打孔工具進行驗證后，推薦采用MQT-120/2.3/1.45錨鉆機（見圖2）。這種錨鉆桿具有收放方便、井下使用靈活性高、鉆孔速度快、穩定性好的優點。為確保安全，在井下打眼、安裝錨桿時不得在空頂情況下作業，在支護前必須進行敲幫問頂，去除活動的巖石，防止支護過程中碎石滾落。

圖2 錨鉆機實物圖

4 巷道支護效果分析

在對井下巷道支護結構進行優化后，在井下巷道內的不同區域設置了5個監測站點，在監測站點上設置位移傳感器用于對在巷道掘進過程中圍巖的變形情況進行監測[4]，監測結果如圖3所示。

圖3 井下巷道圍巖變化情況

由監測結果可知，優化后巷道圍巖的變形隨著巷道掘進時間的推移而增大，巷道掘進約50 d后，圍巖變化情況基本穩定，平均變形量約為110 mm，比優化前的420 mm降低了74.1%。可見，對井下巷道支護結構進行優化，可極大地提升井下支護的穩定性。

同時，通過對巷道支護過程中的支護效率對比分析，優化后巷道的支護效率比優化前提升了約39.4%。

5 結論

1）優化后的巷道支護結構以錨網索聯合支護為核心，支護穩定性好，可靠性高，能夠滿足在復雜地形條件下支護可靠性的需求；

2）采用懸吊作用理論完成錨桿、錨索支護的參數校核，能夠判斷支護參數的選擇合理性；

3）優化后巷道的支護效率比優化前提升了約39.4%，巷道變形量比優化前降低了74.1%，極大地提升了井下支護的穩定性。