复杂条件下掘进巷道顶板支护优化设计

2021-04-11

当代化工研究 2021年10期

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿山西 030200）

引言

在综采技术取得快速发展的背景下，煤矿井下开采深度有所增加，遭遇的地质条件也更加复杂。受矿压波动因素影响，容易发生巷道顶板垮塌问题，还要通过支护优化保证作业安全。因此，还应加强复杂条件下掘进巷道顶板支护优化设计研究，以便通过优化支护结构保证巷道掘进高效、安全，继而使综采技术水平得到进一步提升。

1.工程概况

1208巷位于二采区，东侧为采空区，西部为采煤区，南部为采取边界。按照东西走向进行巷道布置，巷道长1250m，断面为矩形，宽和高分别为5.2m和3.5m。掘进煤层属于下二叠统山西组3#，平均厚6m，倾角平均达到4°。从煤层条件来看，夹矸层较多，沿着地板掘进完成2.5m厚顶煤预留，掘进达552m。煤层不存在伪顶，基本顶主要为粗砂岩和粉砂岩，相对稳定，厚度平均6.9m。直接顶主要为炭质泥岩，厚度平均为2.2m，带有脆性和易破碎特点。在掘进达到560m位置时，有正断层出露，落差1.8m，倾角52°。

2.原支护方案缺陷

(1)支护方案

在巷道顶板支护方面，采用锚杆和锚索联合支护方式，按照0.9m×1.0m间排距进行锚杆布置6根φ22mm×2400mm左螺旋纹高强锚杆，每个搭配一卷CK2340和Z2388型号树脂锚固剂。锚索采用长5m、φ17.8mm预应力钢绞线，按照梅花型布置，首排设置3根，保持1.8m间距，之后一排布置2根，间距相同，排距达到2m。外露部署使用长和宽均为0.3m的拱形钢托盘进行固定，并使用与锚杆相同的锚固剂加强锚固处理。针对巷道两帮，利用锚杆进行支护，每排布置3根φ22mm×2000mm左螺旋纹高强锚杆，间排距为1.0m，首根距离顶板保持0.5m距离。

(2)缺陷分析

从之前掘进作业情况来看，支护失效率达到21%，失效现象主要为顶板下沉、破碎，局部发生冒落情况。而断层的出现，将导致煤岩层整体性被破坏，出现面胶结稳定性下降问题。在掘进过断层带时，上下盘煤岩层容易发生失稳问题，导致附近岩体同时受上覆岩层重力、构造应力和原岩应力等多重力作用，导致顶板破碎、局部冒顶等问题发生[1]。伴随着掘进继续，断层带应力持续增加，顶板表层因支护失效出现层状破碎，并逐步向深处延伸，可能引发漏顶事故。在应力集中的情况下，两帮也将受到剪切作用，与顶板肩角煤柱难以得到预留，将造成巷道呈现出尖状型。对原方案缺陷进一步展开分析，可以发现采用长2.4m锚杆由于锚固段处于裂隙当中，难以与煤体保持稳定胶结。而每排完成6根锚杆的布置，并且每两排设置5根锚索，将造成每米需要进行8.5个支护孔施工，将导致连续梁被破坏，引发严重岩体扰动破坏。受这一因素影响，裂隙发育将有所夹具，导致围岩松动范围扩大。由此可知，巷道在545-575m区域为构造应力破碎段，在原本支护方案失效率较高且存在明显缺陷的情况下，掘进至该段容易出现顶板支护失稳问题。

3.顶板支护优化设计

(1)锚杆支护优化

为确保巷道掘进能够顺利通过应力破坏段，还要加强顶板支护设计，实现有关参数优化，以便形成稳定的支护结构。为使锚杆的悬吊作用得到充分发挥，在锚杆优化阶段还应选用柔性锚杆对顶板进行支护。具体来讲，就是采用长3.5m的钢绞线进行锚杆制作，直径达到22mm，按照每排5根，间距1.1m和排距1.5m的方式进行支护。在每根锚杆施工期间，还应配备3根锚固剂，确保锚杆能够与岩体面保持垂直。针对同排锚杆，应在施工后利用长1.5m和宽0.3m的钢带对外露端进行加固，并搭配钢方垫和锁具进行预紧处理。钢带采用“L”型，需要在顶板和巷帮两段分别布置孔径30mm的圆孔，保持1.0m间距[2]。针对钢带拐角位置，需要完成30mm孔径圆孔布置。巷帮位置钢带为“LW”型，长2m，利用长2m的φ20mm左旋无纵筋螺旋钢锚索进行原有支护结构替代，并对钢带进行固定。将“L”型钢带安装在肩角煤柱位置，需要与“LW”型钢带叠加。在施工期间，需要利用手持式钻进进行锚固，锚杆外露长在10-30mm之间，预紧时扭矩至少达到200N·m。

(2)锚索支护优化

在锚索支护优化方面，还要完成组合锚索悬板结构设计。利用长8m的φ21.6mm高预应力锚索，搭配支护锚杆和长4.5m、宽1.2m、厚4mm钢板加强顶板支护。在距离钢板两端0.25m的位置，需要完成φ25mm圆孔布置，并在两边布置22mm圆孔，在四周和中部设置25mm圆孔。对钢板进行固定后，可以利用中间预留孔在顶板钻孔，深度达到8m，完成MSKC23/40锚固剂填装后，填装两支MSK23/80型锚固剂，然后进行锚索固定。按照每排2根，间排距3m进行布置，针对外露端还应采用长0.6m、宽0.35m“JW”型钢梁进行加固。利用长和宽均为0.5m的钢托板和锁具预紧，确保应力至少达到36MPa。在施工期间，还应在一块悬板施工完成后再进行下一块施工，两块悬板之间保持0.25m间隙，并设置间距2.0m、孔径60mm的卸压孔，孔深为5m[3]。为加强联锁保护，还要利用长0.4m的φ30mm圆钢托架加强悬板连接。在两帮支护期间，还需要在钢带拐点位置利用φ17.8mm、长5m预应力锚索进行锚固，按照45°仰角进行结构布设，外露端利用长0.5m钢梁进行处理。

(3)锚棚支护设计

考虑到破碎段存在应力集中的问题，除了对原本支护结构参数进行优化，还要增设锚棚加强顶部支护。采用φ30mm、长3m中空锚杆，按照每排3根、间距1.5m形式进行结构布设。在施工时，还要在两侧布置φ10mm圆孔共5个，与中部圆孔联通，与侧孔保持0.5m的间距。完成锚杆安装后，需要在尾端布置注浆管，采用泵送方式注浆。采用硅酸盐水泥，按照1:1.2比例进行注浆液配置，需要添加聚氨酯粘合剂加强注浆液粘合性。注浆时需要将压力控制在1.0MPa左右，施工后利用膨胀水泥封堵锚杆端头孔。在浆液充分凝固后，需要安装长4.5m工字钢梁，利用螺母预紧。采用卡缆在两端对3.5m棚腿进行固定，保证结构稳固的同时，使顶梁能够与顶板充分接触。按照1.5m间距进行锚棚支护，还要对相邻棚进行处理，在棚腿间设置两组拉杆，保证结构整体稳定。注浆体和锚杆能够形成完整结构，将不同层面裂纹串联，有效避免或延缓巷道掘进过程中围岩发生破裂现象，能够使综采作业期间顶板结构稳定性得到增强[4]。因此锚棚结构具有较高的抗压强度，同时不容易发生变形，可以用于对复杂巷道的大变形顶板进行支护，因此可以用在应力集中巷道段的顶板支护上。

(4)桁架支护设计

破碎区由于承力结构特殊，一旦巷道下沉顶板中部应力最大，因此还要对中部进行桁架支护，使下沉问题得到有效控制。结合施工要求，还要采用纵向迈步式支护方案，利用φ17.8mm、长5m的锚索进行支护，并且搭配φ20mm、长1.8m的圆钢托架和双向张拉器形成稳定结构。在各组桁架中，共包含2根锚索和2根托架，设置一根张拉器。沿着巷道走向，需要按照3m排间距进行锚索施工，倾角控制在75°。在距离巷道左帮位置，可以进行首组桁架施工。完成锚索安装后，针对外露端还要采用圆钢托架进行处理，利用张拉器预紧。在距离巷道右帮1.5m位置，需要进行一组桁架安装，保持2m的锚索间距。两组结构可以按照迈步式形状布置，直至掘进工作面过破碎段。采用锚索能够使深处岩层得到固定，利用圆钢托架能够构成完整承载力，然后利用张拉器使锚索预拉力得到提升，继而使结构对顶板支撑的可靠性得到增强。

(5)支护效果分析

对顶板和两帮支护效果进行确认，还要在新掘进位置完成多个矿压监测站的布置，对顶底板和两帮收敛量实施不间断监测。具体来讲，需要每隔50m布置1组监测站，包含2个巷道表面位移监测仪，另外包含顶板离层、锚杆受力和锚索受力监测装置各1个。通过对破碎段掘进期间矿压进行观测发现，顶板最大下沉量能够达到10m，而两帮收敛值最大能够达到7mm，由此可见巷道保持良好的成型效果，采取的支护结构能够满足生产需要。此外，从锚杆和锚索受力情况来看，锚杆受力最大达到190kN，破断力能够达到350kN，锚索受力最大250kN，破断力为607kN。整个过程中，锚杆和锚索等支护结构并未出现应力叠加问题，同时受力也未超出限值，由此可知围岩应力得到了均匀分布。针对复杂的巷道条件，采用混合支护方式对支护结构进行优化，能够使支护失效问题得到解决，同时也能使原本锚杆、锚索支护材料使用量有所减少，使顶板支护难题得到顺利解决。经过优化后，支护效率提高16.9%，成本降低11.2%。在施工效率得以加快的情况下，能够加快巷道掘进速度，在保证作业安全性的同时，提高施工经济性，因此能够为工程施工带来可观效益。