智能掘進工作面施工工藝研究

＊王世杰

（中煤華晉集團有限公司王家嶺礦 山西 043300）

引言

我國不規則原生結構煤層資源豐富且分布廣泛，已形成規模化開采。據不完全統計，全國煤礦和重點煤礦中，開采不規則傾斜角度煤層的礦井數量約占六分之一[1]。傾斜的弱煤層傾角較大，巖層重力方向與巖層層面方向的夾角變小，重力沿層理方向的作用力大大增加，這使得圍巖移動、冒頂形態特征和巷道變形及支架所包含的新特征使其巷道圍巖變形破壞在同一斷面上具有顯著的不對稱或不均勻特征，使得巷道圍巖控制的復雜性和特殊性對巷道效果的要求更高[2]。

巷道支護效果的好壞與錨桿間距、錨桿排數、錨索滯后距離等是分不開的，其對巷道變形、支護受力的影響更大[3]。12307膠帶巷2#煤工作面回風順槽沿煤層底板掘進，運輸順槽沿煤層頂板掘進兩順槽基本為全煤巷道，原設計巷道支護方式為順槽頂板支護，運輸順槽錨桿采用網支護，但由于煤體相對松軟，節理、裂隙發育，煤體強度低，且煤巖傾角大，巷道斷面圍巖軟弱，導致掘進和支護困難[4]。因此，迫切需要尋求科學合理的工作面支護形式和支護效果，在保證安全高效生產的同時，研究這種復雜條件下煤層的支護方式具有現實意義。

國內外對煤層智能掘進工作面中的巷道支護進行了一定的研究和試驗，但相關文獻較少，尤其缺乏對智能巷道支護理論與技術應用于復雜條件下巷道掘進支護實踐的研究[5]。本文擬通過數值分析軟件對巷道周圍應力進行分析，通過數值模擬不同支護方案下的支護效果，對巷道支護方案進行優化設計，最后通過井下數據驗證數值模擬優化巷道支護效果，研究成果可為其他煤礦相似地質條件工作面巷道支護提供參考。

1.研究區概況

以王家嶺煤礦2號煤層工作面運輸巷道為研究對象，巷道寬度a為5.6m，高度b為3.55m，平均埋深300m，底板巖層所受應力為10MPa，將巷道橫截面視為平面應變狀態，遠場作用垂直和水平載荷，受力情況如圖1所示。王家嶺煤礦2號煤層工作面運輸巷道圍巖應力在巷道頂底角位置處應力集中程度較大，最大應力集中系數達到8～10，約為兩幫圍巖應力的4～5倍，底板圍巖應力較小，不同寬高比時圍巖均受壓應力。

圖1 矩形巷道圍巖應力分析力學模型

王家嶺2號煤工作面煤層賦存穩定，鄰近工作面內及勘探鉆孔揭露煤層厚度5.0～6.13m，在受構造影響地段煤層厚度變化較大，煤層結構較復雜。抗壓強度5.22～6.38MPa，平均5.91MPa，強度屬偏弱煤層；平均抗拉強度0.23MPa，黏聚力0.25MPa，彈模0.31GPa，均強度偏低。直接頂為粉砂巖，平均層厚8.74m，直接頂的抗壓、抗剪、抗拉強度均較高，巖石致密，巖層相對穩定，可作為巷道頂板支護的錨固層；直接底為泥巖、中粒砂巖，平均厚度0.86m。

2.巷道支護數值分析

基于研究區王家嶺煤礦2號煤層工作面運輸巷道的概況分析，確定數值模型，然后通過不同錨桿間距數值模擬、不同錨桿排距數值模擬、錨索滯后距離數值模擬、錨索滯后錨桿不同距離數值模擬確定出巷道支護效果的影響因素，最終通過不同支護方案的數值模擬來確定最優的支護方案。

(1)數值模型

根據王家嶺礦具體的地質條件，建立仿真模型如圖2所示，模型尺寸長×寬×高為64m×5m×41m，巷道尺寸為5.6m×3.55m，對模型的上邊界施加7.35MPa垂直載荷來模擬上覆巖層，對巷道網格進行局部細化。模擬中煤巖體力學參數參考王家嶺煤礦相關地質報告和實驗室測試的結果，對煤巖層厚度取整數。

圖2 建立模型和邊界條件

(2)不同錨桿間距數值

隨著錨桿間距的增大，巷道頂底板及兩幫的位移量依次增大，巷道的支護效果逐漸變差。當錨桿間距由1000mm逐漸減少時，巷道頂底板及兩幫的位移量變化幅度較小，圍巖處于一個強飽和的狀態。當錨桿間距大于1000mm時，巷道頂板和兩幫位移量都劇烈增加，錨桿支護效果較差。從巷道支護效果及經濟效益綜合考慮，1000mm間距可取得更為理想的控制效果。

(3)不同錨桿排距數值

隨著錨桿排距的增大，巷道頂底板及兩幫的位移量依次增大，其中巷道頂板位移的增大量比底板和兩幫的變形量大，巷道的支護效果逐漸變差。根據支護效果來說，選擇錨桿排距900mm時支護效果最好，但是錨桿密度越大，需要消耗的材料和時間就越長，成本也就越高。綜合考慮，錨桿的排距可選為1000mm。如果在實際掘進過程中巷道變形嚴重，可將錨桿排距調整為900mm。

(4)錨索滯后距離數值

隨著錨桿滯后支護距離的增加，頂底板及兩幫的位移量逐漸增大，滯后距離在0.4～0.6m時，巷道四周位移相近，變化不大。但滯后距離繼續增大后，巷道周邊位移變形量明顯增大。在保證巷道穩定的前提下，適當地增加空頂距離（即錨桿滯后支護的距離）有利于加快巷道的掘進速度，因此選擇錨桿滯后距離為0.6m，在施工過程中可根據實際情況進行調整。

(5)錨索滯后錨桿不同距離數值

無論錨桿排距900mm還是錨桿排距1000mm時，隨著錨索滯后錨桿距離的增加，巷道頂底板和兩幫位移都有增加，但是變化量不大，可見，當巷道在支護好錨桿后，錨索可以適當滯后打設，既保證了巷道的穩定性，又提高了支護和掘進效率。當錨桿排距為1000mm，錨索滯后錨桿3.5m打設；當錨桿排距為900mm時，錨索滯后錨桿3.15m打設。

(6)不同支護方案數值

結合數值模擬結果和井下實測結果，設計如下四種支護方案。方案一：巷道最大垂直應力9.79MPa，巷道最大水平應力7.3MPa，兩幫頂底角有應力集中，巷道頂板最大下沉量21.5mm，底鼓最大值9.29mm，兩幫移近量20mm；方案二：巷道最大垂直應力為10MPa，巷道最大水平應力為7.48MPa，巷道兩幫頂底角有應力集中現象，巷道頂板最大下沉量達到22.2mm，底鼓最大值達到9.28mm，兩幫移近量為19.9mm；方案三：巷道最大垂直應力為9.79MPa，巷道最大水平應力為7.31MPa，巷道兩幫頂底角有應力集中現象，巷道頂板最大下沉量達到22.2mm，底鼓最大值達到9.29mm，兩幫移近量為20.1mm；方案四：巷道最大垂直應力為10MPa，巷道最大水平應力為7.49MPa，巷道兩幫頂底角有應力集中現象，巷道頂板最大下沉量達到22.4mm，底鼓最大值達到9.28mm，兩幫移近量為19.9mm。

由數值模擬結果可知（表1），方案一至方案四支護效果相差不大，方案一頂板相對其他三個方案下沉量較小。若從支護效果考慮，方案一最優，方案二、三和方案四次之；從經濟效益及支護效率考慮，方案四最優，方案一、二和方案三次之。結合王家嶺相鄰巷道支護經驗綜合考慮，選擇支護方案四最合適，即錨桿間排距為1000mm×1000mm，錨索間排距為3000mm×2000mm，2-0-2布置，兩根錨索之間布置一根錨桿。實際支護方案可根據井下實際情況和作業規程再優化、完善。

表1 支護方案匯總表

支護方案四雖一定程度上增加了施工復雜性和成本，但有效改善了巷道重復修復等問題，有效提高了工作效率，預計一個圓班正常情況下，能多產出一刀煤，顯著提高了經濟效益，且保障了煤礦作業安全。

3.支護效果實測

為了驗證改進的支護方案的有效性，在井下進行了實測，在膠帶巷里程730m處實行新的支護方案。同時在井下里程和井上調度室收集了礦壓監測數據，原支護方案和改進的支護方案都能滿足巷道控制的需求，沒有出現冒頂、片幫、離層等現象。

新支護方案在掘進巷道里程730m處附近實行，為定量的對比新舊支護方案，選取了630m、680m、730m、780m四個測點的礦壓監測數據。3個測點的頂錨桿、頂錨索和兩幫錨桿載荷變化量都在一定范圍內，變化幅度趨于平穩。780m處測點安裝于2022年4月4日，安裝初期頂板錨桿載荷的原始數據為80kN，頂板錨索載荷的原始數據為123kN，左幫錨桿載荷的原始數據為40.5kN，右幫錨桿載荷的原始數據為42.4kN，頂底板圍巖高度為3500mm，兩幫圍巖寬度為5450mm。截止到2022年4月9日，頂板錨桿載荷基本保持不變；頂板錨索載荷在前兩天保持不變的情況下，在安裝后的第3天數據增大，之后保持穩定；左幫錨桿載荷變化幅度較小，在安裝后的第4天變化明顯，然后起伏；右幫錨桿載荷呈現逐漸增大的趨勢，此時應注意右幫錨桿載荷的每日變化，加強右幫錨桿的拉拔力檢測，必要時右幫增加支護。

為有效評估新支護方案的穩定性，后續通過增加測點及監測時間進行長期跟蹤觀測，在上述四個測點的基礎上縮小測點間距，分別在655m、705m、755m和805m布置新測點，并進行了持續3個月的跟蹤實時監測，頂板錨桿、錨索和左幫錨桿載荷基本保持穩定，與前期監測結果一致；右幫錨桿在監測15天后增加至最大值，并趨于穩定，現場觀測發現右幫變形量較小，滿足作業要求。

結合支護效果和礦壓監測數據可知，新支護方案能夠滿足巷道掘進的支護要求，又較原來的支護方案減少了支護時間，提高了支護效率，每個月需要270個工降低至140個工，有效提高了工效。

4.結論

根據巷道圍巖物理力學性質測試結果建立了巷道支護方案的數值模型，研究了不同錨桿間排距、錨桿滯后距離及錨索滯后距離對巷道圍巖變形的影響。調研了12307膠帶巷的支護設計規程，根據調研結果設計了4種支護方案，并對4種支護方案進行了模擬分析，得出了最優的支護方案，且模擬方案可根據不同煤礦及不同巷道地質條件進行評估，進而優選巷道最佳支護方案。

通過數值模擬和井下實測數據，分析支護效果和礦壓監測數據可知，與原支護方案相比，新支護方案能夠滿足巷道掘進的支護要求，在長達3個月的監測階段，巷道未出現冒頂、片幫、離層等現象，每個月需要270個工降低至140個工，提高了支護效率；且一個圓班正常情況下，能多產出一刀煤，顯著提高了經濟效益。