软弱顶板回采巷道快速掘进支护技术研究

袁小强

（山西潞安温庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046308）

煤矿产业是我国经济发展重要支柱之一。近年来，随着煤矿开采不断增加，加强煤矿开采作业安全，提高井下巷道掘进作业，是保证煤矿生产有序开展重要因素。随着巷道开采掘进深度持续增加，巷道挖掘支护难度也在不断加大，针对快速掘进支护这一难题，如何开展巷道有效支护，成为矿井生产安全、高效开展的关键问题。

1 软弱顶板回采巷道存在的问题

1）巷道挖掘时埋深较大。原始围岩应力高，极易产生变形[1]。巷道开采时挖掘机的抽放埋深超过600 m，这种深度较高，开采增加了巷道围岩初始应力值，使围岩应力集中系数加大，造成挖掘后巷道变形速度加快[2]。

2）采取主动支护防止变形，主动支护对支护锚杆、锚索初始预紧力增加，使锚杆、锚索布设时施加合理预紧力，防止锚杆出现初始滑移产生变形，并且提高了围岩初始承载力，避免因巷道挖掘初期埋深大、围岩易破碎而造成变形，起到了有效主动支护整体结构方式。

3）循环进尺偏大造成空顶距大，增加支护难度。巷道采用快速掘进技术，在循环进尺尺寸上需要偏大一些，以减小辅助工序作业耗时提升开机率。开机作业时单次循环进尺长度为4 m，使巷道控顶距过大造成围岩应力减弱，岩体损坏程度严重，增加了支护难度[3]。

2 软弱顶板回采巷道快速掘进支护方案

2.1 支护原则

1）主动支护

对巷道采取整体支护作业方式，由于巷道挖掘初期坑度深，巷道控顶距离长，单一支护手段承载力较小，作业时极易产生变形。因此，为了防止挖掘初期支护容易变形，应当采取有效综合支护技术，充分利用锚索、锚网喷相结合支护结构，提高锚杆、锚索预紧力加大承载量，使围岩整体自承性能增加[4]。整体结构主动支护方式，加强了巷道挖掘作业时支护作用，安全性能和作业效率都得到了保障。

2）快速支护

为确保巷道施工合理有效，保障掘进作业安全性，对掘进作业中掘、支、运等生产作业环节，采取合理优化配置，实现对巷道顶板及时、快速支护，缩短顶板空顶时长，减少巷道初期损伤程度[5]。

3）确保锚杆、锚索作业质量

锚杆、锚索施工作业时，因现场地质状况原因或者施工技术水平等因素，对施工质量造成影响，容易发生锚杆、锚索预紧力达不到标准，严重会有失效现象，因此必须提高施工管理和施工技术，采取合理有效措施，确保锚杆、锚索作业质量[6]。

2.2 支护方案优化

挖掘时巷道支护稳定性与运输顺槽有着密切关系，增加支护优化作用需根据以下几点：增加围岩物理力学性质，采用科学合理方法提高围岩自身承载能力；针对巷道积水问题采取排水措施，防止水对围岩造成泥化腐蚀，提高围岩强度和耐腐蚀性；对围岩与U 型钢之间的缝隙进行填充，确保U 型钢和巷道围岩牢固性[7]。

2.2.1 临时支护分析

临时支护是由四根单体支柱承接钢网组成的，在断面割岩作业后，使用钩钎去除危岩和切割时产生的活岩，然后将打锚杆挂网与四根单体支柱连接。临时支护需要在挖掘作业后进行搭建，临时支护作业要随着掘进机割岩作业的范围开展支护。对破碎程度严重且面积较大围岩，要及时选用管缝锚杆进行支护，严禁空顶施工以防造成作业事故[8]。

2.2.2 掘进面超前支护设计

对巷道掘进面进行管棚超前支护，沿巷道轮廓线均匀钻孔，把钢管分别插入打好钻孔之中，管棚两端中的一端固定在支护体上，另一端固定在未开挖岩体上。管棚之间相互搭接形成整体支护结构，起到区域承载重量能力，同时防止附近顶板发生坍塌造成作业人员危险，挖掘时散落的岩石也会落在管棚上方，起到了安全支护的作用。管棚支护主要参数如下：

1）软弱顶板回采巷道管棚长度计算。

公式（1）中：X表示软弱顶板回采巷道管棚长度；Z表示平均垮落的高度；表示岩层的内摩擦角。

2）软弱顶板回采巷道钢管规格确定。

巷道钢管的规格采用直径为50 mm、厚度5 mm的规格标准，采用分节制作安装方便现场施工。每根钢管长度3 m，把钢管的一端削尖以利于插入围岩内。每根钢管之间通过丝扣进行连接，丝扣长度为100 mm。

2.2.3 工作面注浆加固

巷道开采挖掘时围岩内部会发生裂隙，利用注浆加固技术就可以填满岩石裂隙，并且能隔断涌水通道，避免围岩遭受水侵蚀影响围岩强度。注浆加固技术采用注浆与喷浆共同作用，增加了围岩承载强度。通过现场情况和实验室试验研究结果表明，采用水玻璃浆液注浆，水灰比为1∶1，水泥与水玻璃体积比为1.00∶0.04。

3 掘进技术优化

3.1 现有掘进技术分析

现有掘进技术采取的是运输顺槽掘进时的皮带运输，在U 型钢支护完成后再进行喷浆，每天平均掘进面1.8 m，掘进速度比较缓慢。由于巷道地质条件较差，施工过程中经常出现冒顶、掘进机陷入底板等故障，不但影响掘进速度，同时也给巷道开采工作带来严重危险，造成生命财产损失。

3.2 掘进技术优化

采矿进度快慢主要是看掘进机工作效率，为了提升掘进速度，需要根据巷道运输顺槽的实际情况采取优化措施，加快掘进速度促进采矿工作安全运行。

1）对围岩强度状况采取不同优化截割方式，提高倔进速度。根据岩石强度采取先掏槽后截割的方式，当断面岩石强度较低时，在断面左下角位置使用截割头进行掏槽，然后对断面按“S”形向上截割；当断面岩石强度较大时，针对断面裂隙的实际情况采取合理的截割深度，加快全断面的截割速度。

2）当掘进机运行时，如果底板较软，就会造成行走困难，减慢掘进速度。当底板较软行走缓慢时，在掘进机履带下垫块木板增加底板硬度，提高了掘进机行走能力；掘进位置底板一旦积水较多，就要先截割岩石上部，使散落岩石起到铺垫作用，并建立蓄水池，利用泥浆泵进行排水作业，加快掘进速度。

根据矿井巷道运输顺槽的实际情况，进行合理的优化掘进技术，使掘进面日进尺高度提升至原来的2 倍，通过对掘进支护后的巷道进行稳定性观察，优化支护后的巷道稳定性明显提高。

4 支护效果分析

针对软弱顶板回采巷道快速掘进支护技术可靠性进行效果分析，该过程需要采集的参数如表1 所示。

表1 巷道顶板离层数据

根据表1 所示的巷道顶板离层数据，设定相关参数，保证总耗时为3～7 d，最大底板移近量为60 mm，位移速度为26.5 mm/d。选用软弱顶板回采巷道快速掘进支护技术，能够提高巷道挖掘速率，为了验证这一点，需将传统技术与该技术进行对比分析，结果如图1 所示。

图1 两种技术巷道挖掘速率对比分析

由图1 可知，采用两种技术都随着时间的增加，巷道挖掘速率变快。当周期为3 d 时，传统技术的巷道挖掘速率为10 mm/s，而快速掘进支护技术巷道挖掘速率为61 mm/s；当周期为4 d 时，传统技术的巷道挖掘速率为21 mm/s，而快速掘进支护技术巷道挖掘速率为70 mm/s；当周期为7 d 时，传统技术的巷道挖掘速率为65 mm/s，而快速掘进支护技术巷道挖掘速率为92 mm/s。通过对比结果可知，该技术巷道挖掘速率较快。

为了进一步验证软弱顶板回采巷道快速掘进支护技术的支护效果，再次将两种技术进行对比分析，结果如表2 所示。

表2 两种技术支护效果 %

由表2 可知，采用快速掘进支护技术在实验次数为1 次时，支护效果达到最高为99%；在实验次数为4 次时，支护效果达到最低为96%；而采用传统技术在实验次数为1 次时，支护效果达到最高为62%；在实验次数为5 次时，支护效果达到最低为54%。且快速掘进支护技术的支护效果始终维持在95%以上，由此证实软弱顶板回采巷道快速掘进支护技术可靠性。

根据上述对比结果，可得到如下支护效果：

1）支护后的巷道塑性区总面积大概为巷道断面面积的1/2，扩展深度大约小于3 m。当加固锚杆长度大于扩展深度，顶板断层塑性区域在可控范围内，注浆锚杆在顶角处对发生剪切破坏的塑性区控制效果较为明显，底脚注浆锚杆减小了底脚处的塑性区，防止巷道两帮的塑性区向深部扩展，底板没有产生塑性区。

2）监测支护后巷道关键部位位移的变化量，根据对巷道顶板、两帮、底板监测点的变化，发现变形缓慢阶段和变形加速阶段的曲线变化非常相似。当矿井巷道刚开始挖掘作业时，未开挖至监测断面时，围岩受扰动较小断面监测变形速度缓慢，当开挖至监测段面时，围岩大面积受到波动变形速度变快，采用支护结构对位移部位进行限制，变形进入稳定阶段使监测点位移变化量达到稳定值标准。

3）根据现场顶板离层数据进行监测，在巷道顶安装顶板离层监测仪，顶板每50 mm 就设置1 组，各顶板监测范围内离层最大值为2 mm，范围外离层最大值为3 mm，即监测允许范围值是最大离层值的5 mm。通过观察各监测点离层值确定顶板离层的大小，对顶板钢拱架联合预应力锚杆支护的效果进行判断，如果离层小表明整个支护体系承载力较强，对巷道围岩变形起到了支护控制作用。

5 结语

煤矿开采具有很大的的安全隐患，如何科学合理开采，保障矿井开采快速和安全是煤矿开采工作的关键问题。软弱顶板回采巷道快速掘进采用先进的支护技术方法，进行科学合理的采矿作业，同时提高矿井管理和开采工作人员的专业技术水平。并根据开采矿井的实际情况，制定适合开采作业的高效快速掘进支护方案，使井下采掘工作交替有序，软弱顶板回采巷道快速掘进支护技术应用，提高了矿井采掘工作效率，同时也增加了开采工作安全性，为煤矿业生产安全提供了坚实基础。