潘 翔

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

引言

近年來(lái)隨著科技水平的不斷進(jìn)步，我國(guó)的能源的需求量也顯著增加，因此怎樣通過(guò)高效快捷的方式實(shí)現(xiàn)煤炭資源的回采成為了影響礦井經(jīng)濟(jì)成本控制的主要要因素之一。新興技術(shù)的逐漸普及下，礦井自動(dòng)化智能化程度越來(lái)越高，礦井的掘進(jìn)速度得到了顯著提升，與之相對(duì)的回采速度同掘進(jìn)速度、掘進(jìn)速度同支護(hù)速度之間不協(xié)調(diào)導(dǎo)致礦井整體的回采效率難以突破[1]。當(dāng)前我國(guó)煤礦的開(kāi)采方式主流仍然為井工開(kāi)采的方式，開(kāi)采過(guò)程受到巷道實(shí)際地質(zhì)情況的限制，整體支護(hù)成本難以控制在合理范圍內(nèi)，因此需要通過(guò)支護(hù)掘進(jìn)過(guò)程相適應(yīng)的方式才能夠提升掘進(jìn)工作的實(shí)施效率[2]。

1 工程概況

礦井所處區(qū)域地勢(shì)十分平坦，地貌特征為風(fēng)積沙地貌，當(dāng)前正處于掘進(jìn)工作中的是1003 運(yùn)輸順槽，掘進(jìn)方向同煤層走向相適應(yīng)，煤層整體構(gòu)造呈現(xiàn)出西高東低的趨勢(shì)，煤層厚度為3 m，夾矸厚度約占0.1 m，煤層整體傾角約為3°，煤層整體性較好，斷層數(shù)量較少。在巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，采用錨桿錨索的支護(hù)方式使得支護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，支護(hù)過(guò)程難以和掘進(jìn)過(guò)程保持一致，導(dǎo)致二者間難以協(xié)調(diào)作業(yè)，降低了巷道的掘進(jìn)效率，因此需要對(duì)現(xiàn)有的支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)，確保支護(hù)過(guò)程和掘進(jìn)過(guò)程間互相配合，通過(guò)二者協(xié)調(diào)的方式提升巷道的掘進(jìn)效率。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 巷道原支護(hù)方案

本次研究的掘進(jìn)巷道斷面呈矩形，寬5.5 m，高3.5 m，當(dāng)前采用的支護(hù)方式為錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)：頂板使用圓鋼錨桿支護(hù)，錨桿直徑18 mm、長(zhǎng)度2 200 mm，相鄰錨桿間距1 000 mm，排距1 000 mm，錨索長(zhǎng)度為7 000 mm，相鄰錨索間距3 000 mm；巷道左幫使用圓鋼錨桿支護(hù)，錨桿直徑16 mm、長(zhǎng)度1 800 mm，相鄰錨桿間距1 200 mm，排距1 000 mm；右?guī)褪褂脠A鋼錨桿支護(hù)，錨桿直徑18 mm、長(zhǎng)度1 600 mm，相鄰錨桿間距1 200 mm，排距1 000 mm；頂板使用錨網(wǎng)支護(hù)，錨網(wǎng)規(guī)格為Φmm×120 mm×120 mm，兩幫均使用鉛絲網(wǎng)輔助支護(hù)，鉛絲網(wǎng)規(guī)格為Φ10 mm×120 mm×120 mm。

2.2 支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

巷道掘進(jìn)初期，掘金深度較小，可以依靠端頭進(jìn)行支護(hù)，使得周?chē)鷩鷰r的受力狀態(tài)能夠保持三向受力狀態(tài)，應(yīng)力變化較為緩慢，使得巷道圍巖變形量較小。掘進(jìn)進(jìn)度的不斷深入，圍巖失去了端頭的支撐轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚴芰?，受力大小顯著增加，僅僅依靠端頭難以達(dá)到知乎要求，因此增設(shè)支護(hù)裝置確保圍巖的變形量在合理范圍內(nèi)，保證掘進(jìn)過(guò)程中巷道的穩(wěn)定[3-4]。巷道現(xiàn)有的支護(hù)方案屬于一次支護(hù)，也就是在一次作業(yè)中全部完成支護(hù)工作，在指定位置布置錨桿錨索支護(hù)巷道斷面。巷道各個(gè)階段的受力存在一定的差異，因此將原有方案進(jìn)行優(yōu)化，新方案采用分次支護(hù)的方案。

分次支護(hù)方案示意圖，如下頁(yè)圖1 所示。兩種方案原理上相近但是形式上有所差異，分次支護(hù)通過(guò)多次作業(yè)共同完成支護(hù)工作，根據(jù)巷道的施工要求分成作業(yè)完成支護(hù)作業(yè)，具體方案如下：

圖1 分次支護(hù)示意簡(jiǎn)圖

1）1 次支護(hù)，巷道掘進(jìn)0～2.5 m 過(guò)程中，在頂板位置布置2 根錨桿，總計(jì)3 排;巷道掘進(jìn)3.5 m～7.5 m過(guò)程中，在頂板位置布置4 根錨桿，總計(jì)5 排;巷道掘進(jìn)8.5 m～10.5 m過(guò)程中，在頂板位置布置6 根錨桿，總計(jì)3 排，配合錨網(wǎng)支護(hù)進(jìn)行，錨桿尺寸、間排距以及錨網(wǎng)參數(shù)等相關(guān)參數(shù)影響較小因此不進(jìn)行數(shù)值的調(diào)整。

2）2 次支護(hù)的主要任務(wù)是對(duì)巷道的幫部進(jìn)行加固，斷面支護(hù)初始位置在滯后工作面21 m處，巷道左幫使用圓鋼錨桿支護(hù)，錨桿直徑16 mm、長(zhǎng)度1 800 mm，相鄰錨桿間距1 200 mm，排距1 000 mm；巷道右?guī)褪褂脠A鋼錨桿支護(hù)，錨桿直徑18 mm，長(zhǎng)度1 600 mm，相鄰錨桿間距1 200 mm，排距1 000 mm，上述支護(hù)設(shè)備在一次作業(yè)中布置完畢。

3）3 次支護(hù)是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行錨索支護(hù)，要求錨索支護(hù)的支護(hù)作業(yè)至少滯后工作面55 m。

3 工程應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)方案及結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比進(jìn)行方案的比較，選取兩段巷道分別采取原支護(hù)方案和二次支護(hù)方案進(jìn)行巷道圍巖的支護(hù)，保持掘進(jìn)距離相同[5]。一致兩種支護(hù)方式對(duì)于巷道幫部的支護(hù)完全一致，因此，本文主要對(duì)比兩種支護(hù)方案下巷道頂板變形量和錨桿的軸力。

通過(guò)數(shù)顯收斂計(jì)能夠進(jìn)行巷道頂板變形量的數(shù)值測(cè)量，測(cè)量方式為在巷道內(nèi)部合理布置測(cè)點(diǎn)，每組測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4 個(gè)，相鄰測(cè)點(diǎn)間的間距為5 m。每組測(cè)點(diǎn)的位置分別在巷道中部頂板的中間、兩幫和開(kāi)采幫的中間，測(cè)點(diǎn)孔直徑28 mm，長(zhǎng)度200 mm，測(cè)點(diǎn)通過(guò)樹(shù)脂錨固劑固定在待測(cè)位置；錨桿軸力值由錨桿測(cè)力計(jì)測(cè)得，掘進(jìn)過(guò)程中，錨桿由于應(yīng)力的作用產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)測(cè)力計(jì)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換即可得到錨桿的軸力值。

將兩種支護(hù)方案下所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總得到的結(jié)果，如圖2 所示。根據(jù)圖2 不難發(fā)現(xiàn)，采用原支護(hù)方案，滯后掘進(jìn)面50 m 范圍內(nèi)，頂板變形量逐漸增大，滯后工作面50 m～70 m 范圍內(nèi)，變形量趨于穩(wěn)定，大約為13.2 mm；采用分次支護(hù)方案，變化規(guī)律同原支護(hù)方案規(guī)律一致，頂板變形量穩(wěn)定值約為14.2 mm，相較于原支護(hù)方案，頂板變形量穩(wěn)定之增大1 mm 左右。采用原支護(hù)方案，測(cè)得錨桿軸力最小值大約是4.5 kN，在滯后掘進(jìn)面55 m～70 m 區(qū)間內(nèi)，該數(shù)值為30.5 kN 左右；采用二次支護(hù)方案，錨桿軸力最小值大約是4 kN，在相同區(qū)域內(nèi)，該數(shù)值為33 kN 左右，由此可知，優(yōu)化后的方案穩(wěn)定后的錨桿軸力約增大2.5 kN。

圖2 頂板變形量及錨桿軸力變化曲線(xiàn)

總的來(lái)說(shuō)，采用分次支護(hù)方案會(huì)導(dǎo)致巷道頂板的變形量一定程度的增加，導(dǎo)致錨桿軸力增大，但是二者的數(shù)值均未超過(guò)相關(guān)要求，由此可見(jiàn)分次支護(hù)方案的可行性[6]。

3.2 效益分析

把不同支護(hù)方案下所得的頂板和錨桿軸力數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)分次支護(hù)方案能夠保證巷道支護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性。綜合分析支護(hù)工藝同掘進(jìn)工藝的配合，采用分次支護(hù)方案更為合適。將2 種支護(hù)方案采取效益分析：采用原支護(hù)方案，礦井單月進(jìn)尺量為1 166 m；采用分次支護(hù)方案，礦井單月進(jìn)尺量為1 493 m。相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比，如表1 所示。

表1 支護(hù)效益分析表

根據(jù)表1 中不難發(fā)現(xiàn)，兩種方案所需錨桿數(shù)量不發(fā)生改變，所以支護(hù)成本保持一致。差異之處包括，分次支護(hù)方案耗時(shí)較少，同掘進(jìn)工藝更加協(xié)調(diào)，使得掘進(jìn)工作以及支護(hù)工作可以同時(shí)開(kāi)展，提升了巷道的掘進(jìn)效率，增加了巷道的月進(jìn)尺量[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)巷道支護(hù)過(guò)程中錨桿錨索布置時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率難以提升，提出了分次支護(hù)方案，使得支護(hù)同掘進(jìn)工藝相互協(xié)調(diào)，提升了巷道的掘進(jìn)效率；

2）分次支護(hù)方案共計(jì)支護(hù)3 次，分別為：頂板錨桿支護(hù)、幫部錨桿支護(hù)以及頂板錨索支護(hù)，根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)可知采用分次支護(hù)方案，巷道頂板變型量和錨桿軸力滿(mǎn)足相關(guān)要求；

3）分次支護(hù)方案相較于原支護(hù)方案支護(hù)成本一致，但是循環(huán)支護(hù)時(shí)間顯著縮短使得支護(hù)過(guò)程同掘進(jìn)過(guò)程更加協(xié)調(diào)，相較于原支護(hù)方案，月進(jìn)尺量提高327 m。