煤礦巷道快速掘進支護工藝研究

王國輝

（晉能控股煤業集團宏泰公司， 山西 大同 037000）

引言

我國約90%的煤炭是采取地下開采的方式進行，采煤過程中需要在地下進行巷道開挖，開挖過程中出現的冒頂等事故不僅會延遲巷道成型，還會對施工人員的安全造成風險。另外，不穩定的巖層會在巷道成型后期隨著時間產生形變，影響巷道的穩定和安全。巷道掘進效率成為制約煤礦生產效率的核心要素，研究快速掘進工藝以及巷道支護工藝優化，對于提升巷道穩定性，解決礦井生產效率制約因素具有重要的現實意義。本文選取泥化軟巖運輸平巷為研究對象，進行掘進超前支護方案設計，以期為同行業掘進支護工藝優化提供參考。

1 管棚超前支護形式

超前支護主要是解決巷道開挖過程中出現巖體塌陷破壞巷道成型的一種支護工藝，主要措施是在巷道確定開挖位置后，根據巷道剖面形狀，在巷道開挖前的路徑上設置拱形或其他具有支護巖層作用的支護構件，通過支護構件的設置可以極大降低巷道開挖對巖層穩定性的破壞，保證巷道開挖的安全性和巷道成型的穩定性。實際上超前支護構件的設置除了控制巷道開挖巖層變形外，對成型后的巷道穩定性也有很大益處，有研究表明，設置有超前支護構件的巷道成型后，相同時間內的巷道變形量遠遠低于為設置超前支護構件的巷道[1-2]。管棚法是常用的超前支護方法，將鋼管通過計算確定排布方式，保證打入巖層內的鋼管組能夠在巷道頂層形成支護加固體系，能夠承受大部分上層巖層荷載，管棚的兩端要分別固定在未開挖巖體和支護體兩側，使管棚結構能夠受力，原理圖見下圖1。

如圖1 所示，管棚是搭建在巷道預成型前的未開挖巖體和開挖段后的支護結構上，對上層巖層起到支撐作用，能夠承載上層巖層壓力，保證圍巖的穩定；隨著施工的進行，巷道預成型方向上的管棚數量越來越多，可以有效降低前期管棚件的荷載，降低加固環的應力變形，加固環與管棚相連，拱部圍巖的形變應力會沿著管棚和加固環傳遞到支護結構上，進而形成整體支護結構，同時降低各支護件的荷載，保證支護結構的穩定和有效，如果在管棚結構完成后，巷道開挖中出現冒頂等事故，管棚支護會大大降低冒頂巖層的下降速度，起到支護緩沖作用[3-4]。

2 1233 運輸平巷超前支護參數設計

管棚結構的超前支護法設計核心參數主要包含兩方面內容：鋼管屬性參數和鋼管位置參數。鋼管屬性參數主要有長度、管徑以及管壁厚，位置參數則是鋼管嵌入位置、間距以及搭接長度等，合理地設計參數才能真正起到與支護作用。

2.1 管棚鋼管屬性參數設計

2.1.1 鋼管長度

礦井超前支護鋼管常用長度規格有兩種，一種是長規格10～45 m 的，另一種是短規格＜10 m 的，兩種規格的鋼管作用不同。短鋼管安裝簡單，需要的鉆孔深度較淺，但超前支護距離短，循環量大，且往往與巷道的開挖交替進行；長鋼管的超前支護距離長，對巷道開挖的超前支護作用優于短鋼管，但需要鉆孔深度深，安裝作業難度高[5-6]。二者各有優缺點，在井下超前支護選擇鋼管長度時，一般按照需要支護的圍巖自穩能力來確定，而圍巖自穩能力由巖體的內摩擦角決定，因此鋼管長度可按以下公式計算：

式中：L 為鋼管長度，m；H 為圍巖的塌落高度，m；θ 為巖體的內摩擦角，（°）。

按照1233 運輸平巷的巖層參數，計算管棚鋼管長度。通過圍巖巖石力學測試結果顯示，該段圍巖巷道破壞高度為2.51 m，巖體的內摩擦角為26.21°，通過式（1）計算可知，鋼管的長度應為5.6 m 左右，考慮到該段巷道圍巖的巖體較差，適當加長了鋼管長度，最終確定支護鋼管長度為6 m[7-8]。

2.1.2 鋼管管徑與壁厚

大鋼管和小鋼管一般都有匹配的管徑，常見的大鋼管管徑在50～159 mm 之間，小鋼管管徑在30～50 mm 之間，考慮到現場施工的方便，大鋼管的安裝一般采用分節制作和分節安裝的方式進行，結合1233 運輸平巷的工況環境，可以采用熱軋無縫鋼管Φ50 mm、壁厚5 mm、每節長3 m，兩節拼接的鋼管規格，兩節拼接處采用絲扣連接的形式，入孔端的鋼管為便于深入，將端部加工成錐形以引導插入，為保證兩節連接的可靠性，絲扣端長度不應低于100 mm，另外在第一節鋼管安裝時保證鋼管的被切削的一面朝上，有利于水流入鋼管。長鋼管外形示意圖如圖2 所示：

圖2 長鋼管外形示意圖（單位：mm）

2.2 管棚鋼管位置參數設計

2.2.1 開孔位置

鋼管開孔位置主要由兩個因素確定，一是巷道開挖的輪廓線，鋼管開孔越靠近輪廓線，對巷道開挖過程中頂部圍巖支護效果越好；二是開孔施工的施工難度和精度，如果太靠近巷道輪廓線，而施工精度不高的情況下，會發生與巷道成型干涉的情況。由于采用Φ50 mm 的鋼管，可以取鋼管中心距離開挖輪廓線30 cm 處進行開孔[9-11]。

2.2.2 環向間距

環向間距要根據選擇的鋼管規格以及巖層屬性來確定，根據本文選擇的Φ50 mm 長鋼管，環向間距一般取0.3～0.4 m。根據1233 運輸平巷圍巖破碎特點，確定環向間距300 mm，即兩根鋼管的中心線沿著巷道輪廓線間距300 mm。管棚端面示意圖見圖3，該超前支護方式為U 型棚鋼管布置。

圖3 管棚端面示意圖（單位：mm）

2.2.3 搭接長度

由于U 型鋼棚距為800 mm，為了保證搭接后的管棚能夠承受上層圍巖壓力，同時考慮鋼管用量，設計鋼管搭接長度為1 200 mm，鋼管縱向布置方法見圖4。超前支護立體圖見圖5。

圖4 管棚搭接示意圖（單位：mm）

圖5 超前支護立體示意圖（單位：mm）

3 超前支護工藝效果分析

為了驗證管棚結構設計參數的合理性和有效性，對1233 運輸平巷進行掘進工藝試驗，掘進作業方式還是采用傳統的三班倒制度，通過監測掘進進度與巷道表面位移量來探究管棚超前支護巷道開挖工藝效果，巷道表面位移量曲線圖見下頁圖6。

無支護巷道開挖掘進進度最小循環進尺為1.5 m，三班掘進距離約10 m，采用管棚超前支護工藝后，最小循環進尺為2.5 m，三班掘進距離約為14 m，掘進進度增加。圖6 顯示，采用管棚超前支護工藝后，掘進迎頭20 m 范圍內的巷道位移量不大于40 mm，巷道圍巖的穩定性得到了穩定提升。

圖6 巷道表面位移曲線圖

4 結論

為了保證巷道開挖時巖層的穩定，降低巷道開挖冒頂等事故的發生率，同時增加巷道成型后的穩定，降低巷道長期受壓的變形量，展開了巷道開挖前超前支護工藝的研究，形成以下結論：

1）對管棚結構的超前支護設計核心參數，如管棚鋼管長度、管徑以及管壁厚和管棚鋼管嵌入位置、間距以及搭接長度等參數的確定方法進行了研究，在保證施工效率的同時確保管棚支護結構的有效性；

2）根據1233 運輸平巷圍巖特點，確定了鋼管長度為6 m，管徑為Φ50 mm，壁厚為5 mm，開孔位置為鋼管中心距離開挖輪廓線30 cm 處，環向間距300 mm 以及搭接長度1 200 mm 的超前支護方案；

3）為了驗證管棚結構設計參數的合理性和有效性，對1233 運輸平巷進行掘進工藝試驗，試驗表明，采用管棚超前支護工藝后，掘進效率增加約1/2，且掘進迎頭20 m 范圍內的巷道位移量不大于40 mm，巷道圍巖的穩定性得到了穩定提升。