綜采工作面厚層頂板兩巷支護技術研究

摘 要：本文以某煤礦1311（1）工作面兩巷為例，開展新型錨桿強化支護體系的應用研究，采用超高強預應力組合錨桿及工字鋼對棚支護技術，通過加強支護強度及各種補強措施，充分調動圍巖自身承載能力，有效的控制了巷道圍巖變形，實現(xiàn)了巷道的穩(wěn)定，為工作面正常安全回采創(chuàng)造了條件，并為綜采工作面兩巷頂板支護積累了經驗。

關鍵詞：工作面；厚層頂板；錨桿

一、前言

某煤礦第一水平-826m，屬于典型的深部礦井，目前東翼主采的11號煤層頂?shù)装鍨楹駥訝钌百|泥巖，兩巷支護難度極大。某煤礦1311（1）工作面是東部第二采區(qū)首采面，位于DF162–1斷層以南，F(xiàn)117斷層以北，F(xiàn)83斷層以西，西到設計的采區(qū)大巷，周圍及上下煤層均未開采。該面煤層穩(wěn)定，煤層局部變薄，煤層結構簡單，下部一般含一層泥巖夾矸，厚0.4～0.8m；受地質構造及沉積環(huán)境影響，煤厚沉積缺失0～2.8m，平均煤厚2.2m。東段發(fā)育三處變薄帶，煤厚沉積缺失0～2.4m，向西煤層穩(wěn)定，煤厚1.2～2.8m。沿順槽方向，煤層底板起伏不大，自西向東煤層底板逐漸上升，切眼傾角較大，局部8°～10°，煤層產狀傾向90～205°，傾角0～10°。工作面11-2直接頂為砂質泥巖，局部為細砂巖，泥質結構，垂向裂隙發(fā)育，滑面發(fā)育，較致密，富含植物化石碎片，11-2煤和11-3煤間距3.52～8.52m，平均5.96m；直接底以泥巖及11-1煤為主，灰色，其次為砂質泥巖，頂?shù)装逑嘧兙^大。

二、巷道頂板維護特點及壓力顯現(xiàn)

1.維護特點

（1）該煤層局部變薄，局部下部一般含一層泥巖夾矸，煤層賦存整體壓力較大，幫部煤層自身強度較低，控制難度加大。

（2）巷道埋深大，某煤礦屬于典型的深部礦井，東部巷道圍巖比較脆，地質條件復雜，支護問題日益突出，成為制約安全生產的一大難點。

（3）巷道走向距離較長，要求服務和維護時間較長，對支護強度及維護的長時穩(wěn)定性有較高的要求。

（4）松軟復合底板在近乎無約束狀態(tài)將發(fā)生強烈破壞，但目前尚無簡潔有效的底板控制技術，只能通過加強兩幫及底角支護來減緩底鼓，不能從根本上有效控制底板巖層離層鼓起失穩(wěn)。

2.壓力顯現(xiàn)

（1）頂板出現(xiàn)局部離層掉渣，在金屬網上形成網兜，嚴重時造成頂部錨桿失效。（2）巷道兩幫突出，頂板下沉，原有錨桿、鋼帶、槽鋼支護斷裂，破壞。（3）巷道底板鼓起，軌道變形，嚴重影響巷道斷面。（4）頂板離層加劇，錨索托盤變形，出現(xiàn)放射狀絞理，嚴重時錨索斷開失效。

三、深部巷道錨桿及工字鋼支護機理認識

高強度錨桿索支護在淺部礦井巷道支護中效果好，但在深部礦井高地壓巷道出現(xiàn)一系列問題：錨桿預應力過低，強度不足，抗沖擊性能差，造成錨桿拉斷或整體失效；錨索直徑小、強度低、延伸率低，與鉆孔匹配性差，出現(xiàn)錨索拉斷或整體滑動；鋼帶強度和剛度小，容易撕裂和拉斷，護頂效果差；錨桿、錨索強度和剛度偏低，單位面積錨桿數(shù)量多，間排距小，支護密度大，嚴重影響巷道掘進速度，造成采掘接替緊張。這些現(xiàn)象嚴重影響錨桿支護效果和安全程度。深部巷道支護問題，已經成為制約深部煤炭資源安全、高效開采的關鍵技術瓶頸，急需得到有效解決。

錨桿、錨索及工字鋼對棚支護是錨桿、錨索、工字鋼對棚聯(lián)合支護，共同支撐煤巷頂板的一種混合支護技術，它的作用原理就是利用錨、網、索、工字鋼支護強化和提高巷道頂板一定范圍巖層的抗剪壓能力，形成強化承壓拱，抵抗巷道圍巖變形，達到支撐維護巷道的目的。其具體作用就是通過對頂錨桿在一定預緊力作用下進行端錨，使端錨范圍內的復合巖層在錨桿的彈性壓縮下形成組合梁，同時利用工字鋼對棚對組合梁進一步增強支護強度。

理論研究表明，高強度錨桿可以提供圍壓0.25～0.4MPa，因圍壓增加的煤巖體強度為1～2MPa。對于中等強度以上巖石（30MPa），錨桿支護在巖石破壞前對其強度影響不大；對于強度低煤體（小于15MPa），錨桿在煤體破壞前對其強度有比較明顯的影響。

1.深部巷道應用錨桿支護的核心技術及支護參數(shù)

錨桿支護對圍巖強度、圍巖結構及應力都有不同程度的影響，經理論分析、數(shù)值模擬與井下試驗得出，由于深部巷道圍巖變形主要表現(xiàn)為圍巖受水平力剪切作用所產生的形狀（結構）變形和受軸向力作用所產生的體積膨脹所產生的擴容變形，且以擴容變形為主。因此提高錨桿支護系統(tǒng)的高度至關重要。提高支護剛度的途徑主要有兩方面，特別是錨桿預應力在支護系統(tǒng)中起關鍵作用：（1）錨桿施加較大預應力，并通過托板、鋼帶等構件實現(xiàn)預應力擴散；（2）采用加長錨固或全長錨固，使桿體對圍巖離層、錯動非常敏感，能及時抑制離層與錯動。

巷道錨桿支護技術的精髓就是高預緊力，從一開始就對圍巖進行強有力的作用，消除圍巖的初期松動和變形，調動圍巖整體承載能力，而不是等待圍巖產生松動變形后再去懸吊松垮的圍巖。在錨桿支護初期就給錨桿施加一個較大的預拉力，從而對圍巖產生反作用性能的高預緊力，不僅可以消除巖層內原始的裂縫空隙，也可以使各個巖層之間鎖緊為一個整體，提高錨固范圍內巖層的內摩擦角和內聚力，巖層的整體承載性能得到提高。圍巖的擴容變形與錨桿的初始支護強度之間呈負相關性關系，錨桿的初始支護強度越小，圍巖的松散變形越大；錨桿的初始支護強度越大，圍巖的松散變形越小。而且變形量隨初始支護強度的增大表現(xiàn)出不同速率的下降趨勢。

四、支護效果及礦壓結果分析

1311（1）工作面運順掘進之初，設計比鄰DF162-1大斷層掘進，由于地質勘探結果不夠詳細導致所留保護煤柱較小，工作面開采至附近時，頂板下沉近1.5m，再加上底板為泥巖比較松軟，巷道底鼓，致使轉載機及破碎機被壓，挪移不出，工作面不能正常推進。使用工字鋼對棚支護后，對巷道受力情況進行了觀測，頂?shù)装遄畲笠平繛?80mm，兩幫最大移近量為200mm，頂板最大離層量為57mm。根據(jù)觀測結果分析認為：采用錨桿索加工字鋼對棚支護有效抑制了厚層頂板的離層下沉，巷道維護狀況良好，滿足了現(xiàn)場的應用，取得了良好的技術安全和社會經濟效果。

參考文獻：

[1]徐永圻.煤礦采礦學[M].中國礦業(yè)大學出版社，2003

[2]許松超，于泰鵬.煤礦巖巷錨噴支護技術改進[J].中州煤炭，2010.1.

[3]鄭永學.礦山巖體力學[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

[4]柏建彪，王襄禹，賈明魁，等.深部軟巖巷道支護原理及應用[J].巖土工程學報，2008，30（5）：632-635.

[5]李永友，李樹清.深部軟巖巷道錨注聯(lián)合支護圍巖承載機理分析[J].湖南科技大學學報，2008，23（1）：10-14.

作者簡介：馬少東，男，現(xiàn)工作于寧夏寧魯煤電有限責任公司任家莊煤礦。