秦紅強

（霍州煤電集團洪洞億隆煤業(yè)有限責任公司，山西 臨汾 041600）

0 引言

在以往綜掘機功能單一，只具有掘進巷道的功能，而巷道支護時需要將掘進機從掘進面向后退出一定的距離，這就使得新掘巷道頂板得不到及時有效的支護，工作人員的人身安全難以得到有效保障[1-2]。特別是賦存條件較好的煤炭資源已逐漸開采完畢，賦存條件較差。埋深較深的煤炭資源則成為了我國開采的主要目標，若巷道頂板在掘進后得不到及時有效的支護，極易造成礦井的重大安全事故[3]。而近些年，隨著掘錨一體機全斷面一次成型技術的進步，有效的降低了礦井在復雜地質條件下進行回采時的風險，緩解了采掘交替的緊張局面，為我國的煤礦安全生產做出了重大貢獻[4]。

1-1021巷埋藏條件較為復雜，在掘進過程中將揭露眾多小斷層，受斷層影響巷道圍巖穩(wěn)定性較差，因此采用掘錨一體機全斷面一次成型技術對于保障該巷道的正常掘進，提高工作效率具有重要意義。

1 工程概況

1-1021巷位于1#煤層中，該巷道的主要用途是皮帶運輸進風、行人，埋深達到了500m，工作面以西為1-1022巷工作面及1-101回采工作面，以東為設計回采面，北部為皮帶下山巷與回風下山巷，南部為采區(qū)井田邊界萬安斷層。巷道的掘進總長度為974.094m，目前已掘進322m，剩余650.094m，巷道的斷面為矩形，凈寬達到了5m，凈高為4m，支護形式采用“錨網索梁”聯(lián)合支護，其中頂錨桿采用“六·六”布置，錨桿間排距為800mm×1000mm。中部四根錨桿垂直于頂板施工，邊角頂錨桿與頂板呈75°角，距幫500mm施工。選用φ20×L2000mm左旋螺紋鋼高強錨桿。幫錨桿“四·四”布置，錨桿間排距為1000×1000mm，均垂直于幫部，上端錨桿距頂500mm；選用φ18×L1800mm左旋螺紋鋼高強錨桿。頂板錨索采用φ17.8×8000mm鋼絞線，第一排在巷中布置一根，第二排在距巷中心左右兩側1250mm處分別布置一根，依次循環(huán)，排距為1000mm，在支護過程中錨桿的預緊力為50kN，錨索的預緊力為120kN。距地質資料勘探結果顯示該巷在掘進過程中累計揭露正斷層21條，斷層落差最大為H=6m，最小為H=0.5m，走向多為NE，傾向為SE，受斷層影響1-1021巷頂板較為破碎，給該巷的正常掘進、支護帶來極大的挑戰(zhàn)。

2 巖層賦存狀況及力學參數(shù)測試

巷道頂?shù)装甯鲙r層的賦存狀況以及物理力學參數(shù)對于巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要影響，由于1-1021巷埋深達到了500m且在掘進過程中受附近斷層影響較大，掌握該巷道頂?shù)装甯鲙r層的賦存狀況，并對各巖層的物理力學參數(shù)進行測試對于巷道的掘進以及支護工藝的改進具有重要意義，故在巷道頂?shù)装暹x取合適的位置進行打鉆取芯，并將所取巖芯密封后帶回實驗室對其物理力學參數(shù)進行了測試，測試結果如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装鍑鷰r賦存情況及力學參數(shù)統(tǒng)計表

由于1-1021巷沿煤層頂板掘進，從表1中可以看出該巷的偽頂為0.7m厚的泥巖，直接頂為5.5m厚的中粒砂巖和2.6m厚的砂質泥巖，其中中粒砂巖整體強度偏低，砂質泥巖強度有所提高，老頂為4.5m厚的粉砂巖，巷道的直接底為砂質泥巖，厚度為6.5m，總體而言1#煤層包括距頂板表面6.2m范圍內的巖層強度整體偏低，給巷道的掘進、支護帶來了諸多困難。

3 1-1021巷變形破壞特征

受掘進、支護工藝以及地質條件的影響，1-1021巷在沿煤層頂板掘進的過程中出現(xiàn)了一定程度的破壞現(xiàn)象，其主要特征如下：

1）巷道頂板下沉明顯，局部地區(qū)頂板有巖塊兒漏下，且多根錨桿、錨索被拉斷，鋼帶明顯彎曲。

2）巷道兩幫出現(xiàn)了一定程度的片幫，在斷層區(qū)域附近金屬網大面積撕裂。

3）在斷層附近巷道頂板時有滴水現(xiàn)象，頂?shù)装鍑鷰r受此影響強度出現(xiàn)了一定程度的下降。

4 掘錨一體化全斷面成型技術優(yōu)勢

1-1021巷凈寬達到了5m，凈高達到了4m，屬于大斷面巷道，頂板受力較為復雜。各巖層的物理力學測試結果顯示巷道頂板6.2m深處范圍內的巖層強度較低，容易受到掘進擾動等因素的影響，巷道的掘進和支護不能同步完成，從而造成巷道圍巖穩(wěn)定性較差。同時該巷在掘進過程中會揭露眾多的小斷層，頂板圍巖條件進一步惡化，若不對原掘進技術以及支護方式進行改進，該巷頂板冒頂事故發(fā)生的風險將大幅增加，同時礦井的生產效率也會嚴重受到影響，根據(jù)巷道的埋藏條件以及頂?shù)装鍑鷰r性質，擬采用掘錨一體化全斷面一次成型技術對未掘巷道進行掘進、支護，該技術主要存在如下優(yōu)勢；

1）采用掘錨一體化全斷面一次成型技術進行掘進、支護，巷道的成型速度會大幅加快，同時支護時不需要將掘進機退出掘進面，有效的保護了巷道底板圍巖的完整性，能夠實現(xiàn)掘進、支護的同步完成。

2）掘錨一體機擁有高強度的臨時支護設備，在掘進過程中可以對懸露頂板進行及時的支護，有效的阻止了巷道早期變形，減少掘進擾動對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，為工作人員提供了安全的生產作業(yè)環(huán)境。

3）工作人員的勞動強度將大幅降低，巷道的成型速度明顯加快，工作面的采掘交替將快速完成，同時也能夠節(jié)約生產成本。

5 巷道支護參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述分析1-1021巷采用MB670掘錨機進行掘進、支護，該掘錨機試用于復雜的地質條件下，可以保證巷道控頂距在0.7m～1.5m之間，同時對底板的破壞程度較小。采用掘錨機進行掘進前需要對巷道的原支護參數(shù)進行相應優(yōu)化，根據(jù)巷道的破壞原因，在原方案的支護基礎上將頂板和幫部的錨桿直徑統(tǒng)一加粗至22mm，預緊力增加至80kN，錨索直徑則統(tǒng)一加粗至19.6mm，預緊力增加至160kN。由于原支護方案中錨桿、錨索的排距為1000mm，錨桿與錨桿之間的頂板懸露面積較大，巷道圍巖穩(wěn)定性會受到較大影響，故重點對巷道錨桿（索）的排距以及錨桿的支護長度進行優(yōu)化，具體的參數(shù)設計如下：

1）巷道錨桿（包括頂板和幫部）長度統(tǒng)一分別設置為1.8m、2.0m、2.2m和2.4m。

2）錨桿（索）的排距分別設置為0.7m、0.8m、1.0m和1.2m。

由于巷道頂板圍巖穩(wěn)定性對于巷道的整體穩(wěn)定性具有重要影響，依據(jù)1-1021巷的圍巖賦存條件以及各巖層的物理力學參數(shù)，在FLAC3D中建立數(shù)值模型，分別模擬在相同的地質條件下，不同錨桿的支護長度以及錨桿（索）的排距對巷道頂板圍巖穩(wěn)定性的控制效果，其中錨桿長度的模擬結果如圖1所示:

圖1 巷道頂板最大下沉量隨錨桿長度的變化曲線

從圖中可以看出當錨桿長度為1.8m時，巷道頂板下沉量為56mm，當錨桿長度分別加長至2.0m、2.2m和2.4m時，頂板下沉量分別降低至50mm、38mm和32mm，與長度為1.8m時相比分別減少了12%、32.1%和42.8，錨桿長度由1.8m增加至2.2m時對頂板下沉量控制效果最為明顯。

圖2為錨桿（索）在不同排距下頂板圍巖的下沉曲線。

圖2 巷道頂板下沉量隨錨桿（索）排距的變化曲線

從圖中可以看出錨桿（索）排距為0.7m時，頂板下沉量為60mm，當錨桿（索）排距分別增加至0.8m、1.0m和1.2m時，頂板下沉量則分別增加至63mm、72mm和79mm，與排距為0.7m時相比分別增加了5%、20%和31.7%。

綜合上述分析可知當錨桿長度為2.2m、錨桿（索）排距為0.8m時，巷道頂板下沉量控制效果較好，且可以有效的節(jié)約成本，故依據(jù)模擬結果在原方案的支護基礎上將錨桿長度統(tǒng)一加長至2.2m，錨桿（索）排距統(tǒng)一縮減至800mm。

6 現(xiàn)場監(jiān)測結果

1-1021巷采用掘錨一體化全斷面一次成型技術進行掘進并通過優(yōu)化方案對其進行支護后，對該巷的圍巖穩(wěn)定性進行了為期一個月的現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結果表明在新方案的治理下巷道頂板下沉量降低至41mm，兩幫移近量降低至54mm，與原方案支護下時的相比分別減少了57.3%和62.8%，日掘進速度由原來的4m/d提高至10m/d，該治理措施對巷道圍巖穩(wěn)定性的控制效果顯著。

7 結論

1）1-1021巷斷面較大，頂板深度6.2m范圍內圍巖強度偏低，且在掘進過程中揭露斷層數(shù)量較多，頂板圍巖條件復雜，再加上原支護方案存在不合理性導致巷道在掘進過程中變形量較大，嚴重影響礦井的正常安全生產。

2）通過對巷道的破壞原因進行綜合分析后提出了采用掘錨一體化全斷面一次成型技術進行掘進，并對原支護方案進行了相應的優(yōu)化，監(jiān)測結果表明該優(yōu)化方案對巷道圍巖穩(wěn)定性的控制效果較好，生產效率大幅提高。