望云煤礦頂板安全控制及跨高比的優(yōu)化研究

付紅亮

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 高平 048411）

望云煤礦為瓦斯礦，其綜采面上煤層的平均厚度約為4.4m，煤層的平均深度為603m，井下綜采作業(yè)面的平均傾斜角約為4.8°，傾角面的長(zhǎng)度為302m，井下可采長(zhǎng)度為1174m。該綜采面上地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巷道頂板的直接頂為砂巖結(jié)構(gòu)，平均厚度約為4.6m，其巷道的基本頂以泥巖為主，砂巖為輔，平均厚度約為5.6m。在綜采作業(yè)過程中瓦斯的相對(duì)涌出量約為18.6m3/t，總體上屬于瓦斯煤層。因此為了降低綜采作業(yè)過程中的安全隱患，采用了Y型通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確保綜采作業(yè)的安全性。

由于該綜采面的巷道處在井下采空區(qū)域的邊緣，且巷道巖體上具有大量的裂隙，極易導(dǎo)致井下巷道在綜采作業(yè)過程中的受力變形，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了該礦在井下支護(hù)時(shí)采用傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)方案難以達(dá)到預(yù)期的效果[1]。因此為了提升煤礦井下巷道圍巖受力時(shí)的穩(wěn)定性和抗變形的能力，就需要考慮在采用傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化井下巷道斷面形態(tài)、合理設(shè)置跨高比的方案，提升對(duì)頂板的安全控制，降低綜采作業(yè)時(shí)的振動(dòng)沖擊對(duì)巷道頂板的影響[2]。

1 跨高比對(duì)井下巷道頂板控制的影響

為了研究跨高比對(duì)煤礦井下巷道頂板控制的影響，本文針對(duì)望云煤礦井下巷道的實(shí)際情況，對(duì)不同跨高比情況下頂板在綜采作業(yè)時(shí)的受力變形量進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，結(jié)果如圖1所示。圖中r表示跨高比。

由實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，在巷道高度一定的情況下，巷道頂板在受力作用下的最大變形量和平均變形量均隨著跨高比的增加而增大。由圖1（d）可知，當(dāng)巷道的高度為2m時(shí)，隨著巷道跨度的逐漸增加，其頂板受力情況下的變形量基本上呈均勻增加的趨勢(shì)；當(dāng)巷道的高度為3m，巷道的跨度由5m降低到4m時(shí)，其巷道頂板的平均變形量降低了約42.7mm，巷道的跨度由4m降低到3m時(shí)，其巷道頂板的平均變形量降低了約159.6mm,其變化幅度為之前的3.74倍；當(dāng)巷道的高度為4m，巷道的跨度由5m降低到4m時(shí)，其巷道頂板的平均變形量降低了約36.2mm，巷道的跨度由4m降低到3m時(shí)，其巷道頂板的平均變形量降低了約176.8mm，其變化幅度約為前者的4.88倍。由此可說明，當(dāng)巷道的高度超過3m以后，巷道頂板在受力情況下的變形量隨著跨距的減小會(huì)急劇的降低，當(dāng)其跨高比低于1.1時(shí)跨距變化對(duì)頂板變形的影響基本消失，因此望云礦在設(shè)置跨高比時(shí)，選擇跨高比要低于1.1。

圖1 不同跨距及跨高比下頂板變形研究

2 望云煤礦頂板跨高比優(yōu)化

望云煤礦綜采工作面的煤層的平均采高約為4.1m，綜采巷道的高度為3.7m，在綜采作業(yè)期間巷道的實(shí)際跨距在3.7～4.1m之間。根據(jù)上文對(duì)望云煤礦井下實(shí)際跨高比對(duì)頂板變形的影響研究，在該跨距范圍內(nèi)，其跨高比在0.75～1.1之間具有最佳的抗變形效果，結(jié)合瓦斯礦井下通風(fēng)風(fēng)量要求，綜采面的回風(fēng)巷的截面積不得低于8.2m2。因此綜合井下地質(zhì)特點(diǎn)及工程特性，最終確定該綜采面巷道的跨高比為0.81，巷道高度為3.7m，跨距為2.99m。

在確定巷道跨高比的基礎(chǔ)上，為了提高井下作業(yè)時(shí)頂板的安全性，本礦引入了錨索輔助支護(hù)[3]，加強(qiáng)對(duì)煤礦頂板的安全控制。在頂板采取的錨索加強(qiáng)方式中，將錨索設(shè)置為4-3-4的布置結(jié)構(gòu)，每排之間的距離約為800mm，所選用的拉鎖鋼絞線的直徑為22mm，其長(zhǎng)度約為6300mm。在支護(hù)的過程中將錨索梁的整體向著綜采面的方向進(jìn)行偏移，偏移量約為1000mm。在對(duì)實(shí)體煤幫進(jìn)行加固時(shí)采用了錨帶加固的方案，用直徑為20mm的錨桿搭配W5型鋼進(jìn)行煤幫支護(hù)。其井下加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 望云煤礦頂板安全支護(hù)及跨高比優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

3 望云煤礦頂板安全控制及跨高比優(yōu)化效果

為了對(duì)頂板安全控制和跨高比[4]的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文對(duì)應(yīng)用以來煤礦井下頂板的變形量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)并繪制了如圖3所示的變形曲線圖。

圖3 優(yōu)化后巷道頂板變形曲線示意圖

由實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在綜采面煤壁后側(cè)21～80m的區(qū)間內(nèi)，巷道頂板的變形量最為明顯，其頂板的最大變形量達(dá)到了21mm/d，其兩幫的變形量達(dá)到了34mm/d。在綜采面煤壁后側(cè)81～241m的區(qū)間內(nèi)，巷道頂板的變形量基本穩(wěn)定，最終其頂板的變形量約為591mm，兩幫的變形量約為644mm。在整個(gè)過程中頂板的變形量要始終小于兩幫的變形量，完全改變了優(yōu)化前頂板變形量大于兩幫變形量的情況，顯著提升了井下巷道頂板的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

為了克服望云煤礦分公司綜采面頂板穩(wěn)定性差、抗變形能力弱的缺陷，本文對(duì)望云煤礦不同巷道高度、不同跨距下頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果針對(duì)性地提出了井下頂板安全控制和跨高比優(yōu)化方案，根據(jù)在望云煤礦的實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）當(dāng)巷道的高度超過3m以后，巷道頂板在受力情況下的變形量隨著跨距的減小會(huì)急劇的降低，當(dāng)其跨高比低于1.1時(shí)跨距變化對(duì)頂板變形的影響基本消失。

（2）綜合井下地質(zhì)特點(diǎn)及工程特性，最終確定望云煤礦綜采面巷道的跨高比為0.81，巷道高度為3.7m，跨距為2.99m。

（3）優(yōu)化后頂板的變形顯著小于兩幫的變形量，顯著提升了井下巷道頂板的穩(wěn)定性。