松軟破碎頂板巷道支護技術的應用探究

何生武（神華寧煤集團石炭井焦煤分公司生產科,寧夏 石嘴山 753300）

松軟破碎頂板巷道支護技術的應用探究

何生武
（神華寧煤集團石炭井焦煤分公司生產科,寧夏 石嘴山 753300）

隨著煤礦的開采規模與強度逐漸提升，礦井的開采正在不斷向深層地表發展。巷道的開挖越深，地質條件就越復雜，施工難度也會越大，此時就應該考慮巷道的支護結構及其相關技術，保證支護結構可以支持深層巷道作業，不會發生變形開裂，達到長效使用壽命周期的目的。為了保證煤礦深井作業的安全高產，文章基于松軟破碎頂板條件下巷道極易出現的片幫、冒頂等現象展開論述，探討了焦煤分公司開采的三層煤松軟破碎頂板巷道支護技術難題的解決方案。

松軟破碎頂板；煤礦巷道；圍巖；支護監測；支護參數

0 引言

焦煤分公司開采的三層煤，屬于石炭紀、二疊系煤層。它的煤層是典型的不穩定煤層，其煤層上部的直接頂板厚度約2.5～4m，是松軟破碎的炭質泥巖體系。它的節理及層理裂隙屬于極其發育狀態，所以整體巖層的固結性不強，而且煤層賦存區域有明顯的內斷層發育?；谏鲜銮闆r，三層煤巷道頂板容易出現冒頂或破碎現象。換言之，如果在對巷道進行深層掘進作業時，可能出現巷道頂板泥巖冒落、風化破碎等情況，這就為三層煤巷道的維護帶來了諸多問題。對其巷道進行頂板支護技術保護可以解決上述問題，并有利于煤礦開采，提升礦區經濟效益。

1 對三層煤賦存特征的力學特性考量

1.1 煤層賦存特征及地質分析

在進行巷道支護之前，要對三層煤煤層賦存特征進行檢測，了解其地質特性。根據之前巷道挖掘鉆孔的資料顯示，三層煤的賦存特性較為穩定且結構簡單，在節理和層理方面發育較為成熟。整體煤層自南至北有厚度為0.18m的夾矸，其傾斜角度在0～2°左右。在煤層的上層頂部為炭質泥巖體系，它的節理裂隙在發育方面呈現松軟特性，極易破碎，而且平均厚度僅為2.4m，炭質泥巖上層還有薄煤及粉砂巖覆蓋，粉砂巖互層特性堅硬但性脆。

1.2 力學測試

從三層煤的頂底板巖層、煤層頂底板巖層和煤層取煤、巖石樣本，主要根據掏芯法進行樣本選取。每個樣本的規格在200mm x 200mm x100mm，保證所取得樣本不存在明顯裂隙并能清晰的辨別它們的層位，然后進行煤、巖樣的物理力學特性測試。具體測試及計算方法如下：

首先對巖樣進行單軸抗壓強度測定，它的主要測試方法包括了蠟封法和稱重法，這里選擇稱重法對其進行計算：

在公式中g表示巖樣的密度，m表示巖樣的質量，而v則表示其體積。巖樣單軸抗壓強度的測定要在壓力試驗機上完成。根據巖石的力學實驗標準，將巖樣和煤樣加工成為100mm x 100mm x 100mm的正方體，然后按照ISRM試驗標準來進行。在試驗過程中，利用模擬垂直壓力來模擬煤層中現實的理面垂直壓力，其垂直壓力系數與破壞壓力值都從壓力試驗機上取得。經過測試取得X煤層中巖層和頂底板物理力學的各項參數如表1。

表1 三煤層頂底板物理力學各項參數表

根據上述參數確定三層煤巷道巖層的巖體體積節理數在＜3時，它的巖體完整性指數應該＞0.75，巷道圍巖屬于典型的破碎型結構，所以它的頂板屬于破碎型頂板[1]。

2 松軟破碎圍巖的巷道支護原則分析

在對三層煤巷道支護前要確定不同圍巖條件以及其不同的力學環境條件，然后才能確定圍巖控制和巷道支護的基本原則，保證圍巖處于穩定狀態。如果發現破碎圍巖巷道存在圍巖松動變形等現象，要及時對其進行控制，并確定這些松動圍巖的承載能力大小，確保它們仍然擁有一定的支護能力，并不能小于松動荷載，這里稱之為“松動性的穩定狀態”。所以支護工程也要遵從圍巖周圍的松動性穩定狀態來設計支護原則。

另一方面，有必要采取及時支護的原則，因為松軟破碎頂板極易發生失穩現象，這是由于其初期支護時剛度不足所造成的。所以支架圍巖所形成的平衡狀態可能因為上述原因出現較大的變形，如果變形超出了穩定狀態所允許的最大變形量范圍，就可能出現失穩坍塌等情況。所以支護工作一定要及時完成，保證圍巖支護在初期具有一定的預應力，及早控制圍巖發生變形，維護圍巖正在逐步喪失的承載能力。

3 三層煤巷道的錨固支護設計分析

根據上文的支護原則，對三煤層全巷道進行了松軟破碎頂板的錨固支護設計?？紤]到該礦井的綜采工作巷道斷面屬于矩形結構，斷面尺寸在4.2m x 2.5m，而掘進面積也有11m2，所以整個巷道的支護方案采用了預應力錨桿配合金屬網、鋼帶及錨索補強的整體支護方式。

3.1 頂板支護分析

支護工程中所采取的錨桿桿體為高強度的左螺旋紋鋼筋，它的規格為20mmx2200mm，而且桿尾有螺紋M22設計，并配合了金屬拱形的高強度托板結構和萬向球，它的規格為100x100x10mm?？紤]到前期要提升支護強度，所以錨桿間距排列緊密，約為500mm，排距控制在900～1000mm之間，每排設計6根錨桿，兩個肩角的錨桿與支護垂線間保證20°左右的外斜布置距離。錨桿的錨固力也要適當加大，約為200kN，而預緊力控制在50～80kN范圍內。另一方面，三層煤巷道的錨索長度設置為7000mm，所采用的是15.30mm級的低松弛預應力鋼絞線，并以“212”式進行布置，間距保持在1300mm左右，錨固力設計為300kN。

3.2 巷道巷幫支護分析

巷幫的支護方案主要采取了錨桿配合網支護的形式。其中錨桿的桿體為普通的金屬錨桿，而巷幫的錨桿長度為1500mm左右。另外采用了拱形的高強度托板，其規格為130x130x20mm，主要是三排五花式的布置結構，其排距保持在600m左右，錨固力約為70kN，預緊力則為40kN，為了進一步加強錨固穩定水平，采用了一只樹脂錨固劑。在巷道的兩幫則用到了不同材質的兩種護幫網，其中右邊護幫網為尼龍網片，它的規格是10000mmx2000mm，而左邊護幫網則采用了金屬菱形網，其規格為4500mmx2200mm。全巷道全部采用掘進機進行掘巷，并且依靠液壓來完成支護工序。因為巷道完全按照設計尺寸展開施工，所以支護工程質量有保證[2]。

3.3 支護質量的監測分析

支護質量監測主要分為兩個方面，其一是巷道表面位移的監測。這方面監測采用到了基于巷道表面位移的十字布點法進行觀測。它的觀測方法是在巷道方向每隔50m就布置1個觀測點。如果圍巖條件良好，可以擴大距離在每100m處設計1個測點。巷道表面的位移曲線如圖1。

圖1 三層煤巷道頂底板移近過程中的觀測點變化情況曲線

圖2 三層煤巷道頂板離層移近過程中的觀測點變化情況曲線

從圖1的曲線數據觀測情況來看，巷道頂底板的最大移近量可以達到70mm左右，這種情況會在一周后實現基本穩定的狀態。所以這也說明此次巷道預應力錨桿的設計方式對巷道支護起到了較好的作用，基本控制了巷道表面在前期不會發生變形現象。同時，也對頂板的離層進行了監測。該監測部分所采用的是頂板離層指示儀。同樣在巷道每50m設置1個觀測點，并將測點用的離層儀安裝于巷道的頂板中線位置，而深基點則固定在錨索上方較為穩定的巖層以內，其固定距離約為250m。如圖2所示，支護工程后14天左右，頂板離層會處于相對穩定狀態，穩定狀態下其最大的頂板離層值將達到14mm，這就表示在預應力錨桿方案的支護輔助下，巷道頂板可以處于穩定狀態。

4 總結

在此次對三層煤巷道進行圍巖支護工程中發現，其巷道的表面位移量其實并不大，但是存在前期的巷道圍巖變形情況，需要及早進行支護防范。此次支護從本質上改善了三層煤巷道內的圍巖力學狀態，而且深層開采作業的安全強度也大幅度提升，同時也提升了巷道掘進速度。而在采用了預應力錨桿配合金屬網的支護方法后，巷道的維護費用也大幅降低25%，它極大程度的緩解了目前深層巷道開采作業采掘接替成本消耗緊張的難題。

[1]丁國利.破碎頂板條件下回采巷道圍巖破壞機理及錨注支護技術研究[D].太原理工大學,2014:32-40.

[2]楊平.極破碎頂板條件下錨網錨索聯合支護技術[J].煤炭技術,2009,28(07):93-94.

何生武(1970-)，男,寧夏中寧人，本科，助理工程師，研究方向：巷道支護。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.237