基于掘錨一體化特厚頂煤巷道快速掘進與支護技術

李軍

（山西魯能河曲電煤開發有限責任公司 上榆泉煤礦， 山西 忻州 036504）

隨著我國煤炭開采機械化水平的提高，高產高效礦井對巷道的掘進效率提出了更高的要求。而我國煤礦巖巷掘進中的地質條件、成本和效益等因素決定了其主要掘進方法。因此，掘進中的各項工藝效率，采用科學的工藝、設計合理的支護方案是實現煤礦高效掘進的重要保障。煤礦集團公司在開采特厚煤層，如某煤礦主采10#煤層，平均厚度為11.7 m，不僅煤層厚度大，而且煤層結構復雜。如10#煤層有火成巖侵入，侵入煤層處發生變質甚至硅化，使煤層在垂直向上由原來單一的正常煤層形成了包含煌斑巖、硅化煤、混煤和正常煤等多種成份的復雜結構。混煤結構疏松并且性脆易碎，成碎塊狀甚至粉末狀，極易冒落。鑒于特厚煤層綜放工作面巷道條件，采用傳統的錨桿支護形式難以控制特厚頂煤巷道圍巖大變形，必須研究新的支護方法與技術，以解決這一支護難題。

一、特厚頂煤巷道圍巖地質力學特性及可錨性測試

（一）煤層強度

采用兩種方法對煤層強度進行了測量：一是現場取樣，在實驗室進行煤樣的壓縮試驗；二是采用鉆孔觸探法，在進行巷道鉆孔中測試煤層單軸抗壓強度。

（1）實驗室試驗。在煤礦1002回風順槽頂板對10#煤層現場取樣，加工成標準試件，進行單軸和不同圍壓下的三軸加載試驗。試驗采用MTS815 GT巖石力學試驗系統。加載達到峰值以前采用軸向載荷控制方法，加載速率30 kN/min；接近峰值時采用橫向變形控制方法。

首先進行圍壓為0時的單軸壓縮試驗，得出煤樣的單軸抗壓強度為15.0 MPa-24.6 MPa，平均為19.8MPa。然后進行圍壓下的煤樣壓縮試驗，圍壓分別為3.2 MPa、16 MPa和22.4 MPa，圍壓加載速率為3 MPa/min。試驗結果如圖所示。

從圖中可以看出：隨著圍壓增加，煤樣抗壓強度不斷增加。圍壓為3.2 MPa時，煤樣抗壓強度增加到38.3 MPa，接近單軸抗壓強度的2倍；圍壓增大至16 MPa時，煤樣抗壓強度超過60 MPa，圍壓增大至22.4 MPa時，煤樣抗壓強度超過100 MPa，達到單軸抗壓強度的5倍以上。在低圍壓下，煤樣整體表現為脆性破壞特征；隨著圍壓增加，脆性破壞特征減弱，塑性變形顯著增加，對比煤樣在不同圍壓下的壓縮試驗結果可知，煤體在單軸壓縮時抗壓強度最小，當處于三向受力狀態時，較小的圍壓也能顯著提高煤體抗壓強度。因此，對于特厚頂煤巷道，開挖后及時給圍巖表面提供一定的約束力，可顯著改善圍巖受力狀態，提高圍巖的穩定性。

（2）井下試驗。采用鉆孔觸探法在井下巷道鉆孔中進行了煤層強度原位測試［1］。在頂板中部垂直向上、巷幫中部水平方向各布置1個深度10 m的鉆孔，采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置測量頂板及幫部煤層抗壓強度。煤礦輔運大巷測試結果為：頂板鉆孔煤層抗壓強度平均值為10.1 MPa，巷幫煤層抗壓強度平均值為12.7 MPa；1002回風順槽測試結果為：頂板鉆孔煤層抗壓強度平均值為12.4 MPa，巷幫鉆孔煤層抗壓強度均值為13.4 MPa。將實驗室試驗結果與井下原位測試結果對比分析可知，井下原位測試數據明顯低于實驗室數據。主要原因是實驗室煤樣測出的是完整煤塊的強度，而井下原位測量得出的結果更接近煤體的強度。

（二）煤層結構

該礦區特厚煤層結構比較復雜，以煤礦10#煤層為例，受火成巖侵入影響，3-5#煤層在垂直方向上結構非常復雜，強度變化大。硅化煤強度較大，而混煤結構疏松、強度極低，。在塔山煤礦的膠帶大巷、輔運大巷、回風大巷及首采工作面順槽中，采用KDVJ-400型礦用電子鉆孔窺視儀進行了圍巖結構觀察。巷道頂煤結構觀察結果如圖。

觀察結果很直觀地反映了巷道頂板的結構分布狀況。頂煤中發育著各種層理與橫向裂隙、縱向、斜交節理與裂隙，淺部的煤體比較破碎，一些位置發生了明顯的離層。這些結構對巷道頂板的完整性與穩定性產生顯著影響。

（三）地應力

由于煤層強度低，結構比較破碎，在煤層中進行地應力測量非常困難。為了解特厚煤層周圍原巖應力狀態，在該煤礦煤層頂板巖石中進行了地應力測量。采用小孔徑水壓致裂地應力測量裝置［2］，在煤礦輔運大巷、1002順槽進行了測點的地應力測量結果表明：

（1）3個測點最大水平主應力均大于垂直應力，地應力場以水平應力為主，構造應力占優勢。

（2）最大水平主應力與垂直應力的比值為1.02-1.09，兩者相差不大。最大、最小水平主應力的比值為1.49-1.86，兩者相差較大，說明水平應力具有明顯的方向性。

（3）3 個測點的最大水平主應力方向均為NNE向，測量結果比較一致，說明測量區域受NNE向的構造應力作用。

（4）3 個測點最大水平主應力的平均值為12.3MPa，該值大于井下原位測試煤層單軸抗壓強度平均值12.2 MPa，但兩者很接近，說明原巖應力已經超過煤層強度。

（四）煤層可錨性

如錨桿、錨索支護是厚及特厚煤層綜放開采工作面回采巷道有效的支護方式，但能否采用該種支護方式的關鍵是巷道頂煤的可錨性，即錨桿、錨索在煤層中的錨固力必須滿足設計要求。為此，在井下進行了錨桿、錨索拉拔試驗。煤礦10#煤層錨桿、錨索拉拔試驗結果表明：在較硬、較完整的頂煤部位，錨桿采用一支K2335型、一支Z2360 型樹脂錨固劑錨固后，錨固力能夠達到150 kN以上；錨索采用一支K2335型、兩支Z2360型樹脂錨固劑錨固后，錨固力可達250 kN。但是，在火成巖侵入影響的破碎煤體中錨桿、錨索錨固力較低，錨索錨固力小于100 kN，不符合錨桿、錨索錨固力設計要求。在煤礦厚頂煤中也進行了錨索錨固力試驗，錨索在煤層中錨固力能達到250 kN。由此可以得出：在較硬、較完整的頂煤部位，錨桿、錨索錨固力可滿足設計要求，而在松軟破碎的煤層部位，錨桿、錨索的可錨性差，錨固力低。因此，在特厚頂煤巷道中采用錨桿、錨索支護時，必須選擇合理的錨固位置，通過全長或加長錨固保證錨桿、錨索的錨固性能。

二、特厚頂煤巷道錨桿支護原理與方法

（一）特厚頂煤巷道支護原理

（1）煤頂巷道變形主要包括兩部分：一是煤體結構面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生等擴容變形；二是煤體彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區整體變形。合理的煤頂巷道支護應大幅度提高支護系統的初期支護剛度與強度，有效控制煤體擴容變形，保持頂煤的完整性。同時支護系統應具有足夠的延伸率，允許第二種變形發生，使高應力得以釋放。

（2）錨桿與錨索預應力對支護效果起決定性作用，根據煤頂巷道條件，將錨桿、錨索錨固到合理的位置，并施加合理的預應力，且使預應力有效擴散到圍巖中是支護設計的關鍵。

（3）錨索在煤頂巷道中的作用主要有兩方面：其一是將錨桿支護在頂煤中形成的承載結構與深部煤體相連，提高承載結構的穩定性，條件是錨索必須錨固到較硬、較完整的煤層中；其二是錨索施加較大預應力，與錨桿形成的壓應力區組合成骨架網狀結構，主動支護圍巖。

（4）對于特厚煤頂巷道，應采用高預應力、高強度錨桿與錨索支護，實現巷道服務期間一次支護，盡量避免二次支護和巷道維修。

（二）特厚頂煤巷道支護方法

根據特厚頂煤巷道特點及上述的支護原理，確定特厚頂煤巷道的支護方式為：高預應力、高強度樹脂加長錨固錨桿與錨索聯合支護，在圍巖破碎地段，可進行注漿加固。錨桿與錨索支護參數的設計采用動態信息設計法。該設計方法有兩大特點：其一，設計不是一次完成的，而是一個動態過程；其二，設計充分利用每個過程中提供的信息，實時進行信息收集、信息分析與信息反饋。該設計方法包括五部分：巷道圍巖地質力學評估、初始設計、井下監測、信息反饋與修正設計。初始設計一般采用數值模擬結合已有的經驗提出。初始設計實施于井下后進行詳細的圍巖位移和錨桿、錨索受力監測；根據監測結果判斷初始設計的合理性，必要時修正初始設計。正常施工后應進行日常監測，保證巷道安全。

結論

（1）礦區特厚煤層綜放工作面回采巷道的特點主要表現為：頂煤厚度大，火成巖侵入后煤體破碎、強度變化劇烈；為滿足大型設備運輸和通風需求，巷道斷面大；頂板巖石強度高，采動影響強烈。這些特點為回采巷道支護帶來一系列難題，對支護技術要求較高。

（2）特厚煤頂巷道變形主要由煤體結構面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生等擴容變形引起。合理的煤頂巷道支護應大幅度提高支護系統的初期支護剛度與強度，有效控制煤體擴容變形，保持頂煤的完整性。

（3）特厚頂煤巷道錨桿、錨索全部錨固于煤層中。錨桿、錨索支護的關鍵是根據煤層強度和完整性確定合理的錨桿、錨索錨固位置，通過全長、加長錨固甚至注漿加固提高錨桿、錨索錨固性能，并施加高預應力對圍巖變形實施主動控制。