復(fù)雜條件的掘進(jìn)巷道頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：針對長平煤礦53031巷掘進(jìn)中過構(gòu)造應(yīng)力區(qū)時(shí)頂板支護(hù)施工難度大、支護(hù)效果差等現(xiàn)象，為了進(jìn)一步提高復(fù)雜條件下巷道頂板穩(wěn)定性，控制頂板破碎、離層、變形等現(xiàn)象，通過技術(shù)研究，從原巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)入手，分析了頂板支護(hù)主要存在的問題，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對頂板支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，優(yōu)化后的頂板支護(hù)大大提高了頂板穩(wěn)定性，滿足破碎頂板支護(hù)需求。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜條件；掘進(jìn)巷道；頂板支護(hù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

巷道掘進(jìn)過程中受煤層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、施工工藝等影響，出現(xiàn)頂板下沉、煤壁片幫、巷道成型差、支護(hù)難度大等技術(shù)難題，導(dǎo)致傳統(tǒng)單錨桿、錨索支護(hù)無法滿足復(fù)雜條件下巷道支護(hù)要求，不利于頂板的安全維護(hù)，很容易引發(fā)巷道頂板事故[1]。因此對于復(fù)雜條件下的巷道掘進(jìn)，必須合理優(yōu)化巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)，采取合理有效的支護(hù)措施對頂板松動(dòng)圍巖進(jìn)行維護(hù)。本文以山西晉煤集團(tuán)長平煤業(yè)有限責(zé)任公司53031巷為例，對原巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)主要存在的問題進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際情況對頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，確保巷道安全快速掘進(jìn)。

1概述

山西晉煤集團(tuán)長平煤業(yè)有限責(zé)任公司53031巷位于井田五盤區(qū)，巷道北部為實(shí)煤區(qū)，東部為53041巷，南部為五盤區(qū)大巷，西部為8303工作面。53031巷主要擔(dān)負(fù)8303工作面回風(fēng)任務(wù)，巷道設(shè)計(jì)長度為1400m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為4.5m×4.0m（寬×高），施工巷道沿石炭系3#煤層頂板掘進(jìn)，煤層平均厚度為5.95m。53031巷直接頂主要以泥巖、砂巖及煤混合巖層為主，總厚度為2.3m，其中，煤層厚度為0.5m（不可采），巖體互層膠結(jié)；直接頂主要以粗砂巖、K4灰?guī)r為主，總厚度為11.4m。截至2019年6月11日，53031巷已掘進(jìn)469m，根據(jù)《山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司五盤區(qū)第二回風(fēng)巷掘進(jìn)地質(zhì)說明書》，巷道掘進(jìn)至480m處時(shí)在北側(cè)揭露一條DX177陷落柱，該陷落柱長軸為68m，短軸為50m。受陷落柱影響，巷道掘進(jìn)至460m處時(shí)頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)至465m處時(shí)局部頂板支護(hù)出現(xiàn)失效現(xiàn)象，原頂板錨桿支護(hù)無法滿足破碎頂板支護(hù)需求。

2原巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)及問題分析

2.1原巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)

a)頂板錨桿。原巷道頂板每排布置5根單錨桿，錨桿長度為2.5m，排距為1.0m，間距為1.0m，每根錨桿外露端安裝一根長度為0.45m、寬度為0.25m的W型鋼帶。b)頂板錨索。原巷道頂板每排布置2根錨索，錨索間距為2.0m，排距為3.0m，長度為5.0m，直徑為17.8mm，每根錨索外露端安裝一根長度為1.2m的工字鋼梁。

2.2頂板支護(hù)主要存在的問題

a)支護(hù)設(shè)計(jì)不合理。原支護(hù)設(shè)計(jì)中雖然頂板支護(hù)數(shù)量滿足實(shí)際支護(hù)需求，但是支護(hù)設(shè)計(jì)中未嚴(yán)格按照頂板巖性及頂板破碎情況合理設(shè)置頂板錨桿、錨索數(shù)量，頂板支護(hù)體數(shù)量設(shè)置盲目性大，不僅增加了頂板支護(hù)成本，加大了支護(hù)作業(yè)強(qiáng)度，而且在施工支護(hù)鉆孔中鉆機(jī)破巖時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)破壞作用[2]，增大了頂板巖體破壞程度。b)頂板支護(hù)強(qiáng)度低。原頂板支護(hù)中錨桿長度為2.5m，采用端頭錨固方式，錨固長度為0.9m，錨固端位于直接頂與基本頂之間，當(dāng)直接頂與基本頂出現(xiàn)離層時(shí)，錨桿出現(xiàn)失效現(xiàn)象；原頂板支護(hù)中錨索抗拉強(qiáng)度為1860MPa，當(dāng)頂板下沉?xí)r，錨索出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度不足現(xiàn)象，導(dǎo)致錨桿斷裂[3]。

3頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了保證53031巷安全快速過DX177陷落柱應(yīng)力區(qū)，提高應(yīng)力區(qū)頂板穩(wěn)定性，通過研究，決定對原巷道頂板支護(hù)中錨桿、錨索布置參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化。3.1頂板錨桿優(yōu)化a)為了進(jìn)一步增強(qiáng)錨桿對頂板的懸吊作用，通過優(yōu)化，決定對頂板施工柔性錨桿，該錨桿主要由長度為3.5m、直徑為18mm的鋼絞線制成，每排布置4根，間距為1.3m，排距為1.2m。每根柔性錨桿采用3支錨固劑錨固，錨桿施工后保證與頂板巖體面垂直。b)同一排柔性錨桿施工完成后在其外露端安裝一根長度為4.2m、寬度為0.32m的鋼帶，并采用鋼方墊、鎖具預(yù)緊。

3.2頂板錨索優(yōu)化

a)對于頂板錨索的優(yōu)化，采用長度為8.0m、直徑為22mm的恒阻大變形錨索，每排布置3根，布置間距為1.8m，排距為3.0m。b)為了防止傳統(tǒng)工字鋼梁對頂板產(chǎn)生切頂破壞，增大支護(hù)斷面，決定在同一排錨索外露端安裝一根長度為3.8m、寬度為0.5m的多筋梯形梁，并采用鋼方墊、鎖具預(yù)緊。

3.3頂板金屬網(wǎng)優(yōu)化

由于傳統(tǒng)的菱形金屬網(wǎng)采用8#鉛絲編制而成，將該金屬網(wǎng)應(yīng)用于破碎頂板中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)與頂板接觸不嚴(yán)實(shí)，網(wǎng)剛度低，變形嚴(yán)重的情況。為此，決定對應(yīng)力區(qū)頂板采用鋼筋網(wǎng)，每片鋼筋網(wǎng)規(guī)格為2.4m×1.4m（長×寬），鋼筋網(wǎng)主要由直徑為14mm的圓鋼焊制而成，該鋼筋網(wǎng)具有抗壓強(qiáng)度高、不易變形等優(yōu)點(diǎn)，可用于復(fù)雜巷道大變形頂板支護(hù)中[4]。

3.4桁架錨索支護(hù)

通過觀察應(yīng)力區(qū)頂板發(fā)現(xiàn)，巷道出現(xiàn)下沉?xí)r頂板中部下沉量最大，要想控制頂板中部下沉現(xiàn)象，必須對巷道中部實(shí)施桁架錨索支護(hù)。a)每架桁架錨索支護(hù)體主要由2根錨索、2根拉桿以及1個(gè)雙向張拉器等部分組成[5]，錨索長度為4.0m，直徑為17.8mm，每根拉桿長度為0.8m。b)桁架錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)與巷道走向平行布置，每排施工2架桁架錨索支護(hù)體，排距為1.5m，間距為1.2m，如圖1所示。

4實(shí)際應(yīng)用效果分析

截至2019年6月18日，53031巷已完全過陷落柱應(yīng)力區(qū)，巷道頂板巖體區(qū)域穩(wěn)定。在對陷落柱應(yīng)力區(qū)巷道頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，通過后期觀察發(fā)現(xiàn)，支護(hù)優(yōu)化后頂板破碎、下沉現(xiàn)象得到了有效控制，頂板下沉量控制在0.12m以下，支護(hù)失效率控制在4%以下，避免了傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)支護(hù)失效嚴(yán)重、支護(hù)強(qiáng)度低等技術(shù)難題，大大提升了破碎頂板支護(hù)效果。

5結(jié)語

山西晉煤集團(tuán)長平煤業(yè)有限責(zé)任公司針對53031巷過陷落柱應(yīng)力區(qū)時(shí)頂板出現(xiàn)的破碎、下沉現(xiàn)象，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)的不足，通過技術(shù)研究，對原頂板支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計(jì)滿足破碎區(qū)頂板支護(hù)要求，能夠?qū)Σ环€(wěn)定頂板進(jìn)行有效支護(hù)，保證了巷道的安全快速掘進(jìn)，取得了顯著的應(yīng)用成效。

參考文獻(xiàn)：

［1］李翔.井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)探討［J］.當(dāng)代化工研究，2019(14)：51-52.

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［3］劉星星.掘進(jìn)巷道過斷層破碎帶支護(hù)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.山東煤炭科技，2018(9)：34-35.

［4］劉星.西銘礦42208工作面巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)［J］.煤礦現(xiàn)代化，2018(4)：41-43.

［5］梁雷.復(fù)雜條件下煤巷掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)［J］.煤炭技術(shù)，2017(9)：91-93.

作者：陳雪嘯 單位：山西晉煤集團(tuán)長平煤業(yè)有限責(zé)任公司