巷道掘进支护技术工艺探讨

王安红

（山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046013）

引言

煤矿开采主要是在地底下进行，特殊的作业环境决定了煤矿开采前需要进行巷道掘进[1]。但巷道掘进过程会对原本平衡的围岩结构体系造成破坏，如果不对巷道进行保护，有可能会发生垮塌等安全事故，威胁矿井安全[2-3]。实践中为保证巷道掘进过程的安全，通常会配套使用支护技术，支护技术方案的优劣直接决定了巷道掘进过程的安全[4]。因此有必要对巷道掘进支护技术进行深入分析和研究，进而提升巷道掘进过程的安全程度。

1 煤层及巷道基本情况介绍

三元煤矿设计年生产能力达为150 万t，其中的3 号煤层厚度范围为3.17～5.29 m，厚度平均值约为4.75 m，煤层倾角范围为3°～9°，平均倾角约为7°，可以看出煤层倾角相对较小，属于近水平煤层。煤层中部位置存在一层矸石，将整个煤层划分成为两层结构。煤层的运输巷道断面形状为矩形，宽度和高度分别为5 m 和3.3 m。巷道整个跨度相对较大，根据已有的实践经验表明，对于跨度相对较大的巷道，顶板中部区域非常容易出现破坏，进而引发冒顶问题。这对支护技术工艺方案提出了相对较高的要求。

运输巷道的直接顶以砂质泥岩为主，同时部分区域包含有粉砂岩，直接顶厚度约为3 m。老顶以中细粒沙岩为主，厚度大约为5.68 m。老顶上部区域围岩主要包括泥岩和砂岩，厚度平均值分别为11.27 m和17.25 m 左右。巷道的直接底主要为泥岩，内部包含有少量的植物化石，厚度平均值约为0.7 m。老底以砂质泥岩为主，部分区域存在中粒砂岩，厚度平均值约为3.63 m。基于已有的3 号煤层附近工程地质资料，可以发现煤层没有出现瓦斯和煤突出的问题，没有冲击地压危险。以下基于上述的煤矿煤层运输巷道围岩属性，对其支护技术工艺方案进行设计。

2 运输巷道掘进支护技术工艺设计

针对3 号煤层运输巷道支护技术工艺方案进行设计时，需要充分借鉴煤矿其他巷道的支护实践经验，最终采用的是锚网索支护技术工艺方案。

2.1 顶板支护参数设计

顶板锚杆采用的是左旋螺纹钢锚杆，其直径和长度分别为22 mm 和2.4 m，相邻两根锚杆之间的距离设置为0.9 m，将相邻两排锚杆之间的距离设置为1 m，根据以上设置每排需要设置6 根锚杆。锚杆安装时需要配套使用树脂型锚固剂，数量为1 根，还需要配套使用一些零部件，主要包括垫圈、球垫和高强螺母。其中使用的拱形托盘必须具有很高的强度，托盘的规格尺寸为120 mm×120 mm×8 mm。为进一步提升锚杆的整体性，通过钢筋梯梁将相邻两排锚杆进行连接，使用的梯梁长度和宽度分别为4.7 m 和80 mm，钢梁与锚杆之间进行焊接连接。顶板表面还需要铺设菱形金属网，金属网由10 号铁丝焊接制作而成，菱形边长为50 mm。金属网的规格尺寸为5.3 m×1.1 m，安装金属网时要求搭接宽度超过100 mm，利用铁丝进行牢固捆扎，使之形成整体。所有锚杆在安装时都与顶板表面保持垂直，安装误差不得超过5°。完成安装工作后需要实施二次预紧，要求预紧力矩超过300 N·m，以此保障锚固效果。

顶板中使用的锚索属于高强钢铰线，其直径和长度分别为18.9 mm 和5.3 m，相邻两根锚索之间的距离设置为2 m，相邻两排锚索之间的距离同样设置为2 m。根据以上尺寸，每排需要设置2 根锚索。锚杆和锚索之间采用的是“2-0-2”的布置方式，即每间隔2 排锚杆设置1 排锚索。锚索安装时需要使用2 支树脂型锚固剂，还需要使用配套的拱形托盘，规格尺寸为300 mm×300 mm×15 mm，要求具备较高的强度。锚索同样与顶板平面保持垂直安装，角度误差不超过5°，安装刚完成时要求锚索的初始张力超过250 kN。

2.2 帮部支护参数设计

帮部只需要利用锚杆进行锚固即可，使用的锚杆型号和规格尺寸全部与顶板中使用的锚杆相同。相邻两根锚杆之间的距离为0.9 m，相邻两排锚杆之间的距离为1 m。其中最高处锚杆与顶板的距离为0.2 m，最低位置锚杆与底板的距离为0.4 m，每排设置有4 根锚杆。帮部位置锚杆安装时全部与帮部平面保持垂直，安装误差控制在5°以内。

3 巷道掘进支护工艺实践应用效果分析

为了对本文设计的煤矿煤层巷道掘进支护工艺方案的有效性进行验证，将该方案应用到巷道掘进工业实践中。在与开口部位距离不等的两处位置设置两个监测站，对巷道表面的位移变形情况以及巷道顶板附近围岩的破碎情况进行监测。如图1 所示为监测站的布置情况示意图。

3.1 运输巷道表面位移变形情况

如图1 所示，本研究中总共对两个监测站的巷道表面位移变化情况进行了监测，两个监测站与开口部位的距离分别为1 200 m 和1 800 m。基于“十字交叉法”对巷道表面位移变形情况进行测量，在巷道的四个表面的中点分别取点A、B、C、D，AD 和BC相连交于点O，利用测量工具测量AO、BO、CO、DO四个数值，即可计算得到两帮和顶底板的位移变形情况。在刚开始的一个月时间内每间隔一个星期开展一次测量，一个月以后围岩变形基本保持稳定，只需要每间隔一个月开展一次测量。如图2 所示为两个监测站顶底板和两帮的位移变形情况随时间的演变曲线。

图1 运输巷道监测站分布图

图2 巷道表面位移变形情况随时间的演变曲线

从图2 中数据可以看出，在刚开始阶段不管是顶底板还是两帮位置的位移变形速率相对较大，巷道表面出现了快速的位移变形。随着时间的推移，巷道围岩逐渐变得稳定，此时巷道表面的位移变形速率逐渐减缓。持续监测到28 d 和60 d 时第2 个监测站和第1 个监测站的顶底板位移变形量依次达到最大值，然后保持不变。稳定状态下两个监测站顶底板的最大位移变形量分别为62 mm 和73 mm。两帮位置的位移变形演变规律与顶底板位基本相同，刚开始阶段呈现出较大的变形趋势，而后变形速率逐渐降低，最后保持稳定。稳定状态下两个监测站的两帮变形量最大值分别为50 mm 和85 mm 左右。

基于以上数据可知，设计的巷道支护技术工艺方案在维系巷道围岩稳定方面发挥了非常重要的作用。经过一段时间过渡后，巷道围岩保持稳定，且围岩表面最大位移变形量控制在了可接受范围内，保障了巷道掘进过程的安全。

3.2 巷道顶板钻孔窥视及结果

为分析运输巷道顶板不同距离位置围岩的变化情况，在监测站1 附近顶板位置进行钻孔，钻孔直径为30 mm，钻孔深度为5 m。利用专业的钻孔窥视仪可以对孔壁的具体情况进行观察。可以查看孔壁是否存在离层、破裂等问题，进而验证巷道支护技术工艺方案的有效性。结果表明：与巷道顶板距离在0.1～0.2 m 范围内，围岩出现了比较严重的破碎现象，主要是因为距离顶板太近，围岩表面在变形过程中将附近的岩石挤碎。与顶板距离在0.2～3.5 m 范围内的围岩，整体上比较完整，只有部分区域出现了破碎的现象。与顶板距离在3.5～5 m 范围内的围岩，基本上未发现有破碎的问题，整体上非常完整。由巷道顶板钻孔窥视结果可以看出，除与巷道顶板距离较近的部分出现破碎问题外，其他位置的巷道围岩整体上比较完整，没有发生明显的破碎。表明在巷道支护的作用下围岩稳定性有了显著提升。

4 结论

巷道掘进是煤矿开采过程中的重要施工环节，但巷道掘进过程会对附近围岩原本平衡的结构造成破坏。为确保掘进过程安全，通常需要采取支护的方式对其进行保护。本文研究表明，采用锚网索支护，巷道围岩表面的位移变形情况被控制在了安全范围以内，且巷道顶板围岩除与顶板相对较近的区域出现了破碎外，其余区域围岩基本保持完整，有效保障了巷道掘进过程的安全。