深井厚煤層巷道掘進支護工藝優化

喬 爍

(潞安化工集團 常村煤礦，山西 長治 046000)

我國的煤炭產量約90%是由地下開采生產，隨著社會發展，煤炭產量需求日益增加，礦井開采深度逐年增加，部分地區甚至出現采深過千米的礦井[1-2]，礦井采深的增加提高了巷道圍巖變形控制的難度，造成巷道變形劇烈，返修頻率增加[3-5]。其中掘進巷道圍巖變形主要受到原巖應力及采掘應力綜合作用產生，呈現明顯的階段性[6-7]。

國內外眾多學者針對深井掘進巷道變形控制進行了廣泛研究，并取得了眾多研究成果。郭宇[8]基于某礦工作面頂底板巖性、地質構造和水文地質概況進行5204巷斷面尺寸設計，確定巷道“錨桿+錨索+‘W’鋼帶+JW鋼帶+鋼護板+護幫錨索+金屬網”的聯合支護方式，利用礦壓監測確定支護方式的合理性；馮儒雅[9]通過對某礦巷道頂板離層和巷道表面收斂進行監測，監測周期50 d，確定掘進7 d內掘巷礦壓顯現劇烈，7～14 d礦壓顯現平緩；14～30 d礦壓顯現穩定，30 d后巷道圍巖變形很??；楊濤[10]基于某礦井地質條件，通過增大支護密度，提高支護構建長度，實現巷道兩幫變形由449.8 mm降低為10 mm，頂板下沉由347.8 mm降低為32.5 mm，較好地實現了掘巷圍巖變形的控制；葉洪金[11]基于某巷道圍巖地質條件，設計“錨網+錨索+鋼筋梯聯合支護”支護方式，并對支護方案的支護工序、支護工藝、支護形式等施工內容進行分析，通過現場試驗，優化支護方案在提高巷道掘進效率的同時，較好地降低了巷道圍巖變形；周治元[12]針對三軟煤層無法沿底掘進問題，設計錨網索托頂掘進超前支護方案，通過現場頂板和兩幫圍巖變形監測，確定該技術能夠有效控制頂板離層、鼓幫和冒頂現象，降低經濟成本。

上述研究極大豐富了深井巷道掘進圍巖控制研究內容，但是不同礦井地質條件不同，因此上述支護方案無法直接有效的應用于深井掘巷支護。本文針對某礦2750工作面回風大巷掘進作業，通過設計合理支護方式實現掘巷期間圍巖變形的有效控制。

1 工程背景

1.1 地質概況

2750工作面回風大巷布置在3號煤層中，3號煤層位于山西組下部，屬穩定煤層，煤層厚3.35～9.65 m，平均6.05 m，含0.2 m厚泥巖、炭質泥巖夾矸，煤層平均傾角為0～18°，埋深平均655 m.巷道頂底板巖性具體如圖1所示。

圖1 煤層頂底板巖性

1.2 巷道布置

2750工作面回風大巷設計為矩形斷面，沿煤層頂板掘進，巷道尺寸：掘寬5 800 mm，掘高4 650 mm，S掘=26.97 m2；凈寬5 600 mm，凈高4 550 m，S凈=25.48 m2.噴漿厚度100 mm.水溝毛斷面500 mm×400 mm，凈斷面300 mm×300 mm，水溝壁硬化厚度100 mm，水溝硬化強度等級為C30,噴射混凝土強度等級均為C20.

1.3 巷道支護

1.3.1 原支護設計方案

2750工作面回風大巷原支護設計采用錨網(索)噴+W鋼護板+鋼筋梯子梁聯合支護，噴射混凝土厚度100 mm，強度等級C20.

1) 頂板支護。巷道頂板采用錨網(索)噴+雙鋼筋梯子梁聯合支護。

錨桿：采用D20 mm×2 000 mm左旋無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，錨桿強度HRB500，間排距800 mm×1 000 mm，頂板每排布置7根錨桿，錨桿布置成排成行，錨桿全部垂直頂板布置。

錨桿雙鋼筋梯子梁：采用D14 mm圓鋼加工，梯子梁規格為D14-8-800-5 700 mm，間距800 mm，布置7根。

錨索：采用D20 mm高強度低松弛鋼絞線，長度為6 300 mm，鉆孔直徑30 mm，間排距1 600 mm×1 000 mm.

錨索雙鋼筋梯子梁：采用D14 mm圓鋼加工，梯子梁規格為D14-3-1 600-3 500 mm.

2) 幫部支護。巷道幫部采用錨網噴+單筋梯子梁聯合支護。錨桿采用D20 mm×2 000 mm左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿強度HRB500，等間距布置，每排每幫6根，間排距700 mm×1 000 mm；底角錨桿外斜15°布置，其余錨桿全部垂直布置。單鋼筋梯子梁采用D14 mm圓鋼加工，梯子梁規格為D14-4-700-2 350 mm，間距700 mm，每幫布置6根。

原支護方案下部分區域巷道變形較大，變形情況如表1所示。

表1 巷道圍巖變形情況

1.3.2 優化支護方案

基于礦井地質條件，2750工作面回風大巷支護方案仍采用錨網(索)噴+W鋼護板+鋼筋梯子梁聯合支護，對部分支護構件參數進行優化，噴射混凝土厚度100 mm，強度等級C20.

1) 頂板支護。巷道頂板采用錨網(索)噴+雙鋼筋梯子梁聯合支護。錨桿采用D22 mm×2 400 mm左旋無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，錨桿強度HRB500.間排距770 mm×1 000 mm，頂板每排布置8根錨桿，錨桿布置成排成行，頂部左、右肩角錨桿均與垂線成15°外斜布置，其它錨桿全部垂直頂板布置，支護緊跟迎頭。錨桿雙鋼筋梯子梁采用D14 mm圓鋼加工，梯子梁規格為D14-8-770-5 700 mm，間距770 mm，布置8根。錨索采用D21.8 mm高強度低松弛鋼絞線，長度為8 300 mm，鉆孔直徑30 mm，間排距1 600/1 400 mm×1 000 mm，3-4布置，成排成行。錨索雙鋼筋梯子梁采用D14 mm圓鋼加工，梯子梁規格為D14-3-1 600-3 500 mm，D14-4-1 400-4 500 mm，3孔梯子梁間距1 600 mm，4孔梯子梁間距1 400 mm.

2) 幫部支護。巷道幫部采用錨網噴+單筋梯子梁聯合支護。錨桿采用D22 mm×2 400 mm左旋無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，錨桿強度HRB500，等間距布置，每排每幫7根，間排距683 mm×1 000 mm；底角錨桿外斜15°布置，其余錨桿垂直布置，頂角錨桿距頂250 mm、底角錨桿距底300 mm.單鋼筋梯子梁采用D14 mm圓鋼加工，梯子梁規格為D14-4-683-2 350 mm，間距683 mm，分上下臺階進行支護，保證上下臺階梯子梁搭接300 mm重合一個限位孔，每幫布置7根，特殊情況可不進行搭接，底部超出規定距離后補打點錨支護。巷道支護示意如圖2所示。

圖2 回風大巷優化支護示意(mm)

2 支護方案模擬

為驗證優化方案的效果，本文利用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬，網格模型具體如圖3所示，模型尺寸250 m×300 m×98 m(長×寬×高)，模型底部及前后左右限制位移，頂部自由，頂部施加15 MPa垂直應力，巷道斷面支護錨桿(索)采用cable單元，需要注意的是，因原始支護和優化方案只有錨桿(索)參數不同，因此本模擬只進行錨桿支護參數的模擬。

圖3 數值模型圖

模型模擬結果主要分析巷道塑性區變化，即通過原始支護方案和優化支護方案應用，確定各方案對巷道圍巖支護作用效果，確定最佳支護方案，模擬結果如圖4所示。

圖4 不同支護方案模擬示意

分析圖4可知，原始支護方案下，巷道周邊圍巖全部發生破壞，且頂板和兩幫破壞范圍較大，即原始支護方案下，淺部圍巖全部破壞，不利于巷道圍巖穩定；通過支護方案優化，巷道頂板破壞范圍急劇減小，說明優化支護方案能夠有效控制巷道淺部圍巖破壞范圍。

3 現場試驗及礦壓監測

為進一步驗證優化支護效果，在2750工作面回風大巷后續掘進過程中采用優化后的支護方案，并在巷道不同范圍布置綜合測站，綜合測站的主要目的是通過監測巷道表面位移及離層數據變化情況，分析巷道受力情況，用來驗證或修改支護設計。

在掘工作面安設綜合測站應避開交叉點、鉆場和構造區域，安裝在正常巷道區段，測站安裝在距離巷道距設計結束位置200 m范圍內，如有需要增加綜合測站數量。

綜合測站包含兩個表面位移監測斷面、一個頂板離層儀監測斷面。監測周期50 d，通過數據監測提取獲得如圖5所示礦壓顯現規律示意圖。

圖5 巷道圍巖變形量

分析圖5可得，巷道圍巖變形在1～20 d內變形較為劇烈，其中第20 d巷道兩幫最大變形量為60 mm，頂板離層變形量為6.2 mm，第20 d后巷道圍巖變形逐漸趨于穩定，因此第20 d為巷道變形的拐點，且圍巖變形量在礦井生產允許變形范圍內，因此支護方案符合設計生產要求。

本文針對某礦2750工作面再掘回風大巷進行了支護方案參數優化，通過現場工業性試驗及監測，確定巷道圍巖在20 d內變形劇烈，在20 d后圍巖變形趨于穩定，其中巷道兩幫最大變形量為60 mm，頂板離層變形量為6.2 mm，巷道變形量均處于礦井生產允許變形范圍。