回采巷掘進工作面支護優化及應用

張 磊

（汾西礦業集團高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

巷道在支護設計初期往往通過提高安全系數、加密錨桿索等方式提高圍巖支護強度，確保巷道后續使用安全[1-2]。巷道支護強度高以及支護密度大雖然可滿足巷道使用需要，但是也存在支護耗時長、勞動強度大以及制約掘進等問題[3-5]?，F階段礦井普遍面臨采掘接替緊張局面，巷道支護耗時長是制約巷道掘進效率的一個重要方面。為此，眾多學者從提高巷道掘進及支護機械化程度、優化巷道支護設計等方面出發，對提升巷道支護效率以及效果等進行研究[6-8]。文章就在以往研究成果基礎上，以山西某礦31207 回風巷掘進為工程背景，提出使用高強度柔性錨桿代替傳統的錨索以及螺紋鋼錨桿對巷道支護進行優化，在保障圍巖支護強度的同時降低支護耗時，提高巷道綜合掘進效率。

1 31207 回風巷工程概況

1.1 地質概況

31207 回風巷為矩形斷面（寬寬5.4 m、巷高3.35 m），采用掘錨機（MB670）掘進成巷，巷道設計長為2 980 m，沿著12 號煤層底板掘進。12 號煤層埋深平均390 m，煤層無突出危險性，厚度均值3.35 m、傾角5°。12 號煤層頂底以中砂巖、細粒砂巖、砂質泥巖以及泥巖等為主，具體巖性參數見表1。

表1 頂底板巖性參數

MB670 掘錨機可同步開展掘進、圍巖支護等工作，具有機械化程度高、掘進速度快以及勞動強度低等優點，巷道掘進進尺為470 m/月。由于采面推擠速度快，巷道掘進進尺仍無法滿足煤炭高效開采需要。

1.2 巷道原支護參數

31207 回風巷設計通過錨網索方式控制圍巖，具體設計見圖1 所示。巷道支護用的錨桿規格為Φ22 mm×2 500 mm，頂板布置6 根、巷幫布置4 根，排距均為1 100 mm；錨索規格為Φ21.8 mm×7 200 mm，頂板布置3 根，排距為1 500 mm。巷道原支護方式下頂板、巷幫最大變形量分別為25 mm、23 mm，圍巖控制效果較好；但是采用此種支護設計存在錨桿、錨索數量多、支護耗時長等問題。為此，文中提出對巷道圍巖支護參數進行優化，通過減少支護耗時為掘進贏取更多時間，從而達到提升巷道掘進進尺目的。

圖1 巷道原支護設計（單位：mm）

2 巷道支護參數優化

文中提出采用柔性錨桿代替普通螺紋鋼錨桿以及鋼絞線錨索對巷道圍巖進行支護。根據已有研究成果表明，柔性錨桿支護強度以及承載能力較普通螺紋鋼錨桿提升300%以上，同時具有預緊力高、性能好以及便于安裝等優點。采用的柔性錨桿桿體直徑為21.8 mm，最大延伸率可達到7%、桿體抗拉強度以及破斷載荷分別為1 860 MPa、580 kN 以上，錨固后可施加超過250 kN 預緊力。通過柔性錨桿施加高預緊力，可提高巷道圍巖支護強度以及穩定性。

優化支護方案設計依據工程類比法確定，具體優化后的支護參數為：在巷道頂板施工4 根柔性錨桿（Φ21.8 mm×4 000 mm），靠邊側錨桿與巷幫間距為650 mm，具體錨桿間間距分別為1 057 mm、1 986 mm、1 057 mm，錨桿排距設計均為1 500 mm，錨桿有效錨固長度設計為1 200 mm；柔性錨桿布置完畢后，施加預緊力控制在250 kN 以上。為提高頂板巖支護強度，沿著巷道中線布置一排螺紋鋼錨桿（Φ22 mm×2 500 mm），螺紋鋼錨桿位于兩排柔性錨桿間，排距均為1 500 mm。具體優化后的巷道頂板支護參數見圖2 所示。巷幫支護參數保持不變。

圖2 優化后支護參數（單位：mm）

3 優化效果分析

通過ZKXG30 鉆孔窺視儀對優化支護后的頂板巖層裂隙擴展以及離層情況進行探測，具體孔深0.7～1.0 m 間窺視成果見圖3 所示。

圖3 頂板巖層鉆孔窺視成果圖

從窺視結果看出，巷道采用柔性錨桿代替傳統的螺紋鋼錨桿以及鋼絞線對頂板支護后，頂板巖層離層情況不明顯；頂板裂隙主要集中在巖層表層位置，裂隙不發育；當鉆孔窺視深度超過0.7 m 以后，頂板內巖層完整性較好，僅局部位置有原生裂隙。通過窺視發現，采用柔性錨桿支護后，頂板巖層穩定性較好，未出現明顯離層以及頂板失穩等情況。

巷道圍巖變形是表征支護效果的主要指標，對柔性錨桿支護完成后頂板、巷幫收斂情況進行監測，在監測期間（90 d）內巷道頂板最大下沉量為38 mm，出現在頂板中部位置；巷幫最大收斂量為27 mm，出現在靠近頂板位置處。巷道整體圍巖變形量較小，圍巖變形不會給巷道后續使用帶來影響。

對優化支護后的圍巖變形監測，在滯后掘進迎頭100 m 范圍內頂板下沉速率較快，在滯后迎頭120 m 范圍內巷幫變形速率較快，頂板、巷幫最終變形量穩定在12 mm、16 mm，整體變形量較小，不會給巷道正常使用帶來不利影響。具體優化支護后的頂板、巷幫現場圖見圖4。

圖4 巷道現場圖

采用柔性錨桿代替螺紋鋼錨桿以及鋼絞線錨索對巷道頂板進行支護后，回風巷頂部支護耗時減少約1.2 h；支護優化后巷道掘進平均每月可達到550 m，較支護參數優化前增加約80 m。在31207 回風巷后采用的柔性錨桿支護技術不僅可滿足巷道控制需要而且可在一定程度提上巷道掘進效率。

4 結語

1）31207 回風巷原采用錨網索方式支護圍巖，存在支護強度大、錨桿數量多以及支護耗時長等問題，在一定程度上制約巷道掘進效率。為此，提出采用柔性錨桿代替螺紋鋼錨桿以及錨索對頂板進行支護，充分利用柔性錨桿高預緊力優點，通過提高錨桿支護強度來達到減少布置數量目的。

2）依據現場實際條件對巷道支護方案進行設計，并進行工程應用。結果表明，優化后的巷道支護耗時較優化前縮短1.2 h，同時巷道頂板、巷幫變形量仍較小，不會影響巷道正常使用；巷道掘進進尺提升至550 m/月，可在一定程度上緩解礦井采掘接替緊張問題。