综采工作面回采巷道锚网索分次支护工艺研究
时间：2023-04-18 14:15:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王彦斌
（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）
郭庄煤矿地表地势平缓，为风积沙地貌，井田面积11.75 km2,采用立井单水平开拓方式，主要含煤地层为石炭系上统太原组。3310工作面煤层厚度3.4～4.6 m，开采深度345 m，开采过程中巷道围岩稳定性较好。3310辅运顺槽断面形式为矩形，宽度为5.7 m，高度3.8 m，掘进时沿煤层顶板掘进，煤层为典型的层状结构。3310辅运顺槽巷道采用掘锚一体化、锚杆和锚索一次支护成型综掘工艺，但支护工序实施时间较长，经过粗略统计，巷道支护时间占了掘进正规循环时间的65%左右。为了提升回采巷道掘进效率，结合巷道围岩特性，研究分次支护工艺，在保证巷道围岩稳定的同时，缩短支护所需时间。
巷道锚网索分次支护与一次支护相比，主要不同点在于体现了巷道成型过程的时空效应，根据巷道掘进时不同时段围岩的形变特点以及巷道支护前后围岩的稳定情况，将一次成型支护分解为多个分次支护，并保证巷道围岩稳定。分次支护原理如图1所示[1]，其中ad为一次支护方式，ab为分次支护的第一阶段，在掘进阶段实施，目的是保证巷道围岩形变保持在安全范围内，bc为分次支护的第二段支护，为掘进后的巷道支护。
图1 巷道围岩形变与支护关系
巷道掘进在时空效应作用下，开挖面附近的围岩应力释放不大，相应的围岩形变量也很小[2]，在该阶段进行巷道开挖面支护，只需要少数的锚杆支护即可保持围岩稳定，并能保证支护围岩形变量不再增加。然后继续进行巷道开挖掘进，随着巷道开挖的深入，已进行一段支护的巷道空间效应降低，虽有锚杆支护，但内部应力增大，围岩形变量也有增大趋势，此时再对断面进行第二阶段支护，延续巷道围岩稳定。按照这样的分次支护工艺，不仅能够大大降低支护时间占比，还能提升巷道掘进效率，而成型的巷道稳定性与一次支护工艺并无明显不同。
3.1 巷道分次支护时机确定
郭庄煤矿3310辅运顺槽掘进分次支护时机是通过实时监测巷道围岩形变量，分析形变速率后确定的[3]。实测点布置在距掘进工作面50 cm处，采用三角形布点法[4]将监测传感器分别安装在巷道顶板和两帮处。统计分析监测数据绘制围岩形变速率与掘进面距离关系曲线，如图2所示。
图2 3310工作面巷道围岩形变速率与距掘进面距离曲线
监测结果显示巷道顶板最大变形速率为3.76 mm/d，巷道两帮最大变形速率为2.6 mm/d。监测发现3310辅运顺槽在距开挖面距离60 m处，围岩形变速率趋于稳定。在0～10 m范围内，无论是顶部还是两帮形变速率都非常大，因此第一次支护选择在距工作面0～10 m处，通过锚杆支护，最大程度限制围岩形变，为工作面安全掘进提供条件；
第二次支护选择在距工作面25 m处，该处的围岩形变速率为10～30 m的中间值，支护方式为在巷道两帮补打锚杆；
第三次支护选择在53 m处，采用锚索支护。除第一次支护外的其他两次支护都能够在不影响掘进施工的情况下进行，能有效提高快速掘进施工速度。
3.2 巷道分次支护工序及支护参数
分次支护工序为：安全检查→挂网连网→临时支护→定孔位→钻孔→装填树脂药卷→安装锚杆（索）→紧固锚杆（索）[5]。顶板锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，锚杆采用ϕ18 mm×2 200 mm规格D的左旋无纵筋螺纹钢，锚杆的拉拔力不能低于60 kN，最边角的两根锚杆要与垂直方向有10°左右的夹角，以提升锚杆的支护能力；
网片钢筋网规格为ϕ6.5 mm×150 mm×150 mm，托板采用150 mm×150 mm×10 mm规格拱形金属板，采用Z2350型树脂锚固剂固定。两帮采用ϕ16 mm×1 800 mm规格左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距1 200 mm×1 000 mm，设计锚固长度为600 mm。支护设计布置如图3所示。
图3 3310工作面巷道支护设计布置
为了验证分次支护效果，选择了3310工作面辅运顺槽两个100 m进行围岩形变量、锚杆轴力和顶板离层数据监测，每个监测段设置三个监测断面，两个监测断面相互间距20 m，监测段如图4所示，分别距离掘进面30 m、50 m、70 m。其中试验段1采用的是一次成型支护工艺，锚杆和锚索支护工艺基于传统理论设计；
试验段2则采用分次支护方式，依照前文的支护方案完成掘进和支护工艺实施。
图4 试验段监测断面布置
4.1 顶板离层监测
为了监测采用分次支护后3310工作面辅运顺槽顶板离层情况，利用多点离层位移计对两个试验段巷道多点位置进行离层量监测[6]，多点离层位移计设置在巷道支护锚杆的中间区域，监测测点布置方案为：每间隔15 m进行一组监测，每组监测设置6个测点，位置分别为距离顶板0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m和5.0 m。
4.2 巷道围岩变形量监测
为了监测采用分次支护工艺后巷道围岩变形量，采用JDS430S型收敛计对两个试验段巷道进行变形量监测，监测方案如图5所示，布置采用三角形分布规则[7]，设置三个监测区域，分别布置在巷道的顶部和两帮，每个监测区域内的监测组间隔距离为15 m，每组共有4个测点。收敛计需要深入到围岩内部[8]，因此在装设收敛计时需要在监测点进行钻孔，孔径为ϕ28 mm，钻孔深度为150 mm，将ϕ18 mm、长150 mm的钢筋钩用树脂锚固剂锚固入孔中。
图5 收敛计布置
通过对试验段围岩形变数据监测，绘制图如图6所示。两种不同的支护方式下，围岩形变量均在距离掘进面40 m左右达到最大，巷道逐步稳定，但无论是顶板还是两帮，分次支护工艺下的形变量都比一次支护工艺下的形变量大，其中顶板约增大3.0 mm，两帮约增大2.0 mm。分析原因为：分次支护工艺本质上是一种快速掘进支护工艺，主要优势在于大大降低支护占用巷道掘进正规循环的总时间，所以在掘进过程中允许巷道围岩产生一定形变，在不影响巷道稳定安全的形变范围内延后支护；
一次支护工艺则是直接限制巷道围岩形变，因此分次支护的围岩形变量大于一次成巷支护工艺，而两帮的锚杆滞后支护，形变量自然大一些，分次支护的工艺核心在于控制形变在安全范围内。
通过统计，采用一次支护成型工艺，3310辅运顺槽掘进速度为52.5 m/d，正规作业循环率为90%，按照每月30个工作日计算，每月掘进进度为1 417.5 m；
分次支护工艺下，3310工作面掘进速度提升为61.5 m/d，正规作业循环率为96%，每月掘进进度为1 771.2 m，掘进效率提升了25%，分次支护工艺的价值得以体现。
图6 分次支护和一次支护工艺围岩变形量对比
郭庄煤矿3310辅运顺槽巷道采用分次支护工艺，通过研究形成以下结论：
1）分次支护工艺主要体现了巷道成型过程的时空效应，允许巷道支护前围岩在安全范围内产生一定形变，将一次成型支护分解为多个分段支护，采用循环支护的方式，锚杆选用参数与一次支护方式保持一致的基础上，能够实现掘进与支护分离作业，无需增设作业人员，合理安排现有作业人员进行掘进、锚杆支护作业就可降低支护工艺占用巷道掘进正规循环总时间的比例。
2）通过对试验段围岩形变数据监测，围岩形变量均在距离掘进面40 m左右达到最大，巷道逐步稳定，但分次支护工艺下顶板形变量约增大3.0 mm，两帮约增大2.0 mm。这是由于分次支护允许巷道围岩产生一定形变后再进行支护的缘故。
3）据统计，采用分次支护工艺后，3310辅运顺槽每月掘进进度增加为1 771.2 m，掘进效率比一次支护工艺提升了约25%，满足快速高效掘进的需求。
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