基于大循环步距的底抽巷快速支护技术研究

石兵

（山西潞安化工集团调度中心 李村煤矿，山西 长治 046600）

随着我国煤矿开采技术的迭代更新以及采煤方法的不断发展，与之相配套的开采设备机械化水平也在持续提升，然而巷道掘进速度却仍处于较低水平，直接导致了工作面采掘接替紧张，阻碍了矿井的发展[1]。对此，国内外众多专家学者对于快速掘巷技术开展了大量的研究，马睿[2]提出通过增加巷道空顶距提高掘进速度，并模拟了不同空顶距离下的巷道顶板下沉情况；李建波等[3]基于实际生产条件，采取增加锚杆间排距的方式减少了支护时间；韩龙[4]针对巷道快速掘进后的空顶区顶板稳定性进行分析，并重点优化了一次支护参数；马利[5]以邢台煤矿为研究背景，修正了巷道的临时支护参数、掘进机截割宽度、施工工艺等，提高了巷道的掘进速度。

1 概 况

李村煤矿西翼2 号瓦斯治理巷为底板瓦斯预抽巷，是布置于3 号煤层采煤工作面底板的全岩巷道，具有巷道服务周期短、施工工程量大、掘巷难度高等特点；采用综合机械化掘进、循环进尺为1 400 mm“一掘一支”，支护准备作业及工序间衔接耗时巨大、掘巷速度慢，是制约矿井采掘接续与安全生产的关键。3 号煤层直接顶为黑色砂质泥岩，基本顶为灰黑色粉砂岩；直接底板为灰色细粒砂岩，基本顶为黑色泥岩，顶底板钻孔柱状图如图 1 所示。

图1 巷道顶底板钻孔柱状图Fig.1 Borehole histogram of roadway roof and floor

2 快速掘进制约因素

（1）作业工序。西翼2 号瓦斯治理巷施工采用“三班倒”作业模式。由于掘进循环进尺为1 200 mm，即“一掘一支”，非“掘、支、运”耗时60 min，占作业总用时的25%，成巷每米耗时约为171.5 min；支护准备作业及工序间衔接耗时大，增加了成巷每米耗时，影响掘巷速度。

（2）巷道支护分析。西翼2 号瓦斯治理巷采用锚网索梁联合支护方式，锚杆采用φ22 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 400 mm，杆尾螺纹为M24，间排距1 200 mm×1 400 mm。由于西翼2 号瓦斯治理巷的服务年限较短，且断面使用要求不高（主要用于工作面瓦斯抽放），采用过度支护会造成支护成本上升并影响掘进速度。岩性稳定时可在保证安全的前提下适当降低支护强度，减少永久支护耗时，提高掘进效率。

3 大循环步距快速掘巷机理

3.1 空顶区顶板结构及力学模型

巷道在开挖后，围岩固有状态被打破，上覆岩层重量直接作用在顶板上。因此，在巷道开挖后需要及时支护，以保证巷道顶板稳定性。然而，在巷道开挖后、支护前的一段时间内，巷道前方处于空顶区，顶板尚未进行支护，很容易在上覆岩层作用下发生变形、冒落破坏，因此空顶区顶板稳定性至关重要[6]。

为方便后续理论计算，将拱形巷道简化为矩形巷道进行分析求解。煤层上方存在0.9 m 相对较薄的泥岩，因此可以将顶板简化为矩形薄板力学模型。巷道宽度为a，工作面前方未支护长度为b，顶板厚度h，如图2 所示。

图2 巷道空顶区力学模型示意Fig.2 Mechanical model of roadway empty roof area

根据薄板理论，假设顶板上方存在匀布荷载q，在匀布荷载q 的作用下，薄板内部应力见式（1）。

理想情况下巷道空顶距见式（2）。

式中：b 为空顶距，m；a 为巷道宽度，m；h 为顶板下位岩层厚度，m；q 为上覆岩层重量，MPa；σt为极限抗拉强度，MPa。

实际施工时，考虑到两帮煤壁可能发生变形、施工存在一定误差、空顶区工人安全等因素，需要增加一个安全系数，因此实际最大空顶距见式（3）。

式中：B 为实际最大空顶距，m；k 为安全系数，取1.4。

根据西翼2 号瓦斯治理巷顶板岩性分析，关键层主要为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，顶板承受载荷主要以岩层自重为主，因此上覆岩层载荷如下：

根据室内试验求得σt=1.74 MPa，将其带入公式（2）求得理想状态下的空顶距，带入公式（3）求得最大空顶距约为3 m。

3.2 循环步距对巷道围岩稳定性影响规律

基于现场生产地质条件建立数值计算模型，模型尺寸长×宽×高=40 m×50 m×40 m，固定模型底面，限制模型4 个侧面的水平运动，设置上覆岩层自重为10 MPa，模拟侧压系数1.0，采用弹塑性材料，具体数值计算模型如图3 所示。固定巷道尺寸不变，分别建立循环步距为1.4、2.8、4.2 m 共计3 个尺寸的数值模拟方案。

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2.1 循环步距对围岩应力的影响

沿掘进巷道中轴线做竖直剖面，不同循环步距下巷道围岩垂直应力分布情况如图4 所示。

图4 循环步距对围岩垂直应力分布特征的影响Fig.4 Effect of cyclic step on vertical stress distribution characteristics of surrounding rock

巷道掘进后顶板出现应力集中，随着循环步距的增加顶板垂直应力不断增大。循环步距为1.4 m 时，顶板上方围岩仅在巷道表面出现应力集中；步距为2.8 m 时，顶板上方深部围岩开始出现整体应力集中倾向，但并不明显；步距为4.2 m 时，顶板上方垂直应力集中明显，达到17～18 MPa，威胁到巷道安全。

3.2.2 循环步距对塑性区范围的影响

沿掘进巷道中轴线做竖直剖面，不同循环步距下巷道围岩塑性区范围如图5 所示。

图5 循环步距对巷道围岩塑性区的影响Fig.5 Effect of cyclic step on plastic zone of roadway surrounding rock

由图5 可知，不同循环步距对工作面前方和巷道底板塑性区几乎无影响，对巷道顶板影响较大。随着循环步距的增加，巷道前方和底板破坏形式变化不大，顶板由剪切破坏逐渐向拉伸破坏发展，且拐点出现在2.8 m，拐点之前塑性区发展缓慢，拐点之后塑性区发展速度大幅增加。

3.3 大循环步距快速掘巷效果

合理的循环进尺能有效减少支护准备作业及工序间衔接耗时，理论分析西翼2 号瓦斯治理巷在巷道开挖后、支护前一段时间内最大空顶距，模拟了不同循环步距对巷道稳定性的影响，综合分析可得西翼2 号瓦斯治理巷掘进循环进尺方面仍有加大空间，而循环步距和掘进速度的关系见表1。

表1 不同循环步距下掘进速度对比关系Table 1 The comparative relationship of excavation speed under different cycle steps

由表1 可得，加大循环步距能够减小成巷每米耗时与非“掘、支、运”耗时占比，减少支护准备作业及工序间衔接耗时、提高巷道掘进速度；但在支护与支护准备等工序中仍有压缩用时、提速空间。

4 合理优化支护参数快速掘巷

4.1 支护参数合理优化

（1）原支护方案。巷道采用锚网索梁联合支护方式，锚杆采用杆体为φ22 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 400 mm，杆尾螺纹为M24，排距为1 200 mm，每支锚杆搭配150 mm×150 mm×12 mm 拱形托盘，使用MSCKb2335、MSZ2360 锚固剂各1 支，锚固力不小于190 kN，预紧力矩为400 N·m。锚索直径22 mm，1×19 股高强度松弛预应力钢绞线，锚索长度6 300 mm，每根锚索使用3支MSZ2360 树脂锚固剂。

（2）支护参数优化及其支护效果。对巷道支护参数进行优化后，保留锚杆自身材质参数不变，锚杆排距由原来的1.2 m 增加至1.4 m，一排布置9根锚杆。顶部锚索按照“2-1-2”布置，锚索2 根时，间距2 400 mm，锚索1 根时，居中打设。巷道支护设计如图6 所示。

图6 巷道支护设计Fig.6 Roadway support design

在巷道顶底板中部和两帮中部布置测站。巷道表面位移监测结果如图7 所示。

图7 巷道围岩位移监测Fig.7 Displacement monitoring of roadway surrounding rock

可知，巷道表面位移在开挖前5 d 快速增长，顶板变形量最大达到12.8 mm/d，两帮移进量最大达到16.9 mm/d。在5～20 d，巷道变形量持续稳定低速增长。20 d 后巷道达到稳定，变形量几乎不再变化，最终顶底板变形量稳定在48 mm，两帮移进量稳定在67 mm，均在安全范围内，巷道稳定性好，完全满足巷道使用要求。

4.2 合理弱化支护参数快速掘巷效果

前文根据巷道服务年限合理降低支护强度，不同支护方案掘进速度见表2。

表2 不同支护方案下掘进速度对比关系Table 2 Comparative relationship of excavation speed under different supporting schemes

从表2 可以看出，合理弱化支护参数后，支护准备与永久支护等工序中单位时间内能完成更多循环进尺，进一步降低了成巷每米耗时，提高了掘进速度，采用大循环步距并合理弱化支护的快速掘进技术，相较于原有掘进技术速度提升约36.5%。

5 结 论

（1）分别从生产装备、作业工序、巷道支护等方面分析了西翼2 号瓦斯治理巷掘进过程中影响掘进速度的关键制约因素：①合理的循环进尺能有效地减少支护准备作业及工序间衔接耗时；②根据巷道服务年限降低支护强度，能够减少永久支护耗时，提高掘进效率。

（2）建立了顶板力学模型，计算出西翼2 号瓦斯治理巷最大空顶距约为3 m；结合数值模拟研究了不同循环步距下的巷道围岩稳定性特征，结果表明，循环步距为2.8 m 时能够满足巷道安全性，有效减少支护准备作业及工序间衔接耗时。

（3）合理优化了巷道原有支护参数，锚杆排距由1.2 m 增加到1.4 m，在满足巷道断面使用要求同时，减少永久支护耗时，将巷道掘进速度提升36.5%。