淺談掘進巷道支護方案優化設計
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［摘要］針對山西呂梁離石西山亞辰煤業29102回采工作面回風順槽掘進工作中發現的頂板離層和圍巖變形量大的問題，提出采用高強錨網索支護技術對原支護方案進行優化，并對優化后的支護方案進行了設計，給出了詳細的支護參數，并闡述了支護設備及施工工藝。
引言
在煤礦井下工作面煤巷順槽的掘進過程中，常常因為存在地應力大、巷道圍巖破碎、完整性差等現象而影響掘進施工，威脅掘進人員和設備的安全。尤其在采用支護技術不當、掘進施工中發現巷道圍巖變形量大且難以有效控制時，應及時對支護方案進行優化，以保證掘進巷道的人員及設備安全［1-3］。因此，研究掘進巷道的支護技術及其優化方案很有必要［4-5］。
1工程概況
山西呂梁離石西山亞辰煤業29102回采工作面位于礦井開采區域的南部，其開采煤層頂底板巖石物理力學性質如表1所示。由于工字鋼架棚支護阻力不足，后來發現掘進工作面后方的巷道圍巖位移量大、工字鋼架棚有壓彎的跡象，且巷道發生底鼓，對于這些現象，技術人員及時采取了補救措施，如在頂板安裝錨索等，但仍然不能控制巷道圍巖變形的發展。29102回風順槽掘進巷道的頂板問題嚴重威脅著井下正常生產，亟需進一步對支護方案進行優化，以控制掘進巷道的持續變形，保證工作面的正常接替。29102工作面回風順槽在掘進過程中，采用11#工字鋼架棚支護，支護方式如圖1所示。
2支護方案優化
2.129102工作面順槽主要影響因素
2.1.1上層煤柱支承壓力的影響根據相鄰工作面順槽的破壞模式，可分析得出，開采煤層后形成的圍巖體應力重分布可沿圍巖體煤柱傳遞至底板，造成工作面底板產生應力集中區。因此在布置29102工作面回風順槽時，應盡可能地避開8#煤層底板的應力增高區域，減小29102回風順槽巷道圍巖所承受的應力，由此來改善掘進巷道的受力條件。圍巖體的強度越大，則由上層煤柱造成的底板應力升高區域范圍也越大。經研究分析，29102工作面順槽與8#煤層煤柱之間的水平距離不應小于20m，這樣布置對掘進工作面的施工和安全都十分有利。
2.1.2相鄰工作面開采引起的動壓影響29102工作面順槽受到相鄰工作面開采的影響，導致其應力重新分布，且峰值應力影響范圍較廣。因此，隨著采煤活動的進行，29102工作面順槽將受到強烈的采動影響和應力重分布。在進行29102工作面順槽設計時，應考慮相鄰工作面采動的影響，確保順槽掘進巷道的安全。
2.2支護方案優化
經過分析研究以及與相鄰礦區對比，決定采用高強錨網索綜合支護技術解決29102回風順槽掘進巷道的圍巖大變形問題。由于優化方案中錨桿是最為關鍵的優化環節，因此，重點討論錨桿的優化思路。
2.2.1錨桿支護優化錨桿支護是井下圍巖常用的支護形式之一。一般來說，錨桿支護阻力是工字鋼棚支護阻力的7倍，若對錨桿施加合適的預緊力，則錨桿可與軟弱圍巖形成協調變形的整體，同時錨桿也應有足夠的錨固力，且錨桿支護應及時，在巷道圍巖未發生大的變形及離層前，就應使錨桿實現強初錨，以充分發揮錨桿作用，維持頂板的完整性，控制圍巖的位移和變形。要使錨桿實現以上的支護效果，應對以下幾方面進行優化：（1）改變錨桿錨固段長度，采用全長錨固或加長錨固，從而使錨桿和圍巖的協調作用能力得到增強。在井下進行端錨和全錨試驗，得出不同錨固長度的工作特性，如圖2所示。由圖2分析可知，全長錨固的錨固性能大于端頭錨固，且隨著圍巖變形量的增大，全長錨固錨桿的作用要遠大于端部錨固的錨桿。（2）采用高強預應力錨固安裝。由上文可知，采用全長錨固錨桿可有效改變圍巖錨固條件，增強錨固效果，從而達到控制圍巖變形的目的。全長錨固錨桿應采用專門的安裝技術，以提高初錨力和錨固效果；為提高全長錨固錨桿的安裝速度和初錨力，目前多采用阻尼式螺母、壓片式螺母等可以快速進行作業的螺母結構。（3）優化錨桿施工工藝。錨桿的施工工藝對錨固效果有很大的影響，因此，要達到改善支護效果的目的，需對錨桿施工工藝進行優化，讓高強預應力錨桿的錨固效果最佳。2.2.2其他優化措施為達到較好的支護效果，除采取以上優化措施外，還應注意以下幾方面：①合理設計錨桿的支護參數，以增加錨桿的整體性，有效控制圍巖；②錨桿的錨固范圍有限，因此可與錨索配合使用；③錨網作為與錨索配套的支護形式，也應進行合理選型設計。同時應對巷道礦壓進行觀測，由此來判斷圍巖控制的效果以及支護結構的施工質量，若發現問題，可及時調整支護方案。
2.329102工作面回風順槽支護參數
綜合以上分析，最終確定的高強錨網索聯合支護方案的具體參數如下：錨桿采用規格為準20mm×2200mm的高強度螺紋樹脂錨桿，錨桿通過Z2350中速樹脂藥卷錨固，2個藥卷錨固1根錨桿，且錨桿托盤設計為鼓形，托盤規格為150mm×150mm×10mm，錨桿間排距為800mm×800mm，且應使用鋼帶將錨桿與原梯子梁進行固定；錨索采用規格為準17.8mm×6000mm的1860型鋼絞線，錨索托盤采用規格為300mm×87mm×9.5mm槽鋼，巷道頂板錨索間排距為1600mm×800mm，巷道兩幫錨索間排距為1300mm×800mm；鋼筋網采用2600mm×800mm和3300mm×800mm2種規格。29102回風順槽掘進巷道優化后的具體支護形式如圖3、4所示。
3支護設備和施工工藝
3.1支護設備
支護工藝中所采用的主要支護設備有：2臺錨桿、錨索鉆機及配套的鉆頭，4臺風錘，2臺電動油泵，4臺錨索攪攔器，2套張拉千斤頂，2套風動扳手等。
3.2施工工藝
3.2.1掘巷掘進工作面進行巷道掘進時，應嚴格按照巷道斷面施工圖進行施工，保證巷道成形的質量，使巷道盡量平整，不出現明顯不規則部位；掘進過程中應進行敲幫問頂，將松動的巖石及時敲落，以免傷人，若因不可抗拒的因素導致巷道實際斷面尺寸與設計尺寸相差過大，應采取相應的補救措施。
3.2.2臨時支護巷道掘進過程中，臨時支護對于掘進工作面的安全至關重要，可采用單體液壓支柱進行臨時支護，保證掘進工作面人員和設備的安全。
3.2.3永久支護按照優化的支護設計方案，進行錨桿、錨索、金屬網等施工，并確保設計的支護參數基本得到實現；錨桿、錨索的角度要與設計一致，不得圖方便施工而擅自改變支護參數。
4支護效果
為進一步掌握和了解優化后的支護方案實施效果，在29102回風順槽每隔20m設置1個位移觀測站，主要監測頂板位移、兩幫位移以及頂板離層量；設置專人對數據進行觀測和記錄，并進行存檔分析，若發現位移量有持續增大趨勢，應發出預警并及時采取相應的措施。圍巖位移監測情況如圖5所示。由圖5分析可知，采取優化后的高強錨網索支護方案后，29102回風順槽掘進巷道的圍巖位移量得到了有效的控制，頂板位移最大量發生在距工作面約80m處，位移最大量60mm；兩幫位移最大量45mm；頂板離層最大量15mm。可見采取優化的支護方案后，較好地控制了掘進巷道的圍巖位移，保證了工作面的安全。
5結論
針對山西呂梁離石西山亞辰煤業29102回采工作面回風順槽掘進工作中發現的頂板離層、圍巖變形量大的問題，提出采用高強錨網索支護技術對原支護方案進行優化；對優化后的支護方案進行了設計，給出了詳細的支護參數，對支護設備進行了選型，并闡述了優化后的支護工藝，在巷道中進行了圍巖位移量監測。監測結果表明，采用優化后的支護方案可保證掘進巷道的安全生產。
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作者：劉強 單位：山西呂梁離石西山亞辰煤業有限公司