煤礦巷道頂板的錨固支護研究及應(yīng)用分析

孔令軍

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

當(dāng)前階段我國煤礦采掘設(shè)備正朝著大型化、綜合化方向發(fā)展，使得煤礦采掘效率得到了顯著提升[1]。巷道支護準(zhǔn)備工作嚴(yán)重滯后是制約采煤效率進一步提升的重要因素之一[2]。縱觀我國絕大部分煤礦可以發(fā)現(xiàn)，采掘和錨固支護都是分開作業(yè)的[3]。會造成兩者之間的相互矛盾，無法完全匹配，使得采煤設(shè)備的性能得不到充分發(fā)揮，進而影響煤礦的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)量[4]。煤礦采掘過程中最容易出現(xiàn)問題的就是巷道頂板，一旦頂板出現(xiàn)冒頂問題，不僅會對采煤工藝過程造成嚴(yán)重不良影響，嚴(yán)重時還有可能導(dǎo)致重大煤礦安全事故[5-6]。因此，加強巷道頂板錨固支護技術(shù)的研究非常有必要，是保障煤礦安全的重要措施。本文主要對煤礦巷道頂板支護方案在實踐過程中表現(xiàn)出的問題進行優(yōu)化，取得了較好的實踐效果。

1 巷道布置基本情況

某煤礦正在開采的煤層厚度在1.88～3.56 m 范圍內(nèi)，平均煤層厚度為2.91 m。整體的煤層結(jié)構(gòu)相對比較簡單，層位也比較穩(wěn)定，但是煤層厚度的變化范圍比較廣。不管是頂板還是底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。煤層工作面在開采過程中遵循不破頂?shù)脑瓌t。如果煤層厚度超過3.2 m，則沿著煤層底板掘進，頂煤進行預(yù)留處理。如果煤層厚度不超過3.2 m，則沿著煤層頂板進行開采。工作面巷道截面整體上為矩形，寬度和高度分別為5.4 m 和3.2 m，截面面積為17.28 m2。

2 巷道頂板支護方案

2.1 原有頂板支護方案

工作面巷道原本使用的是“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)”的支護方案。每排設(shè)置錨桿6 根，錨桿的規(guī)格尺寸為直徑20 mm，長度2.2 m，屬于左旋螺紋鋼錨桿，鋼筋網(wǎng)通過直徑為6.5 mm 的鋼筋焊接制作，規(guī)格為5.4 m×1.1 m。鋼筋網(wǎng)壓茬0.1 m，并且錨桿需要打到壓茬部位。搭接位置通過鐵絲進行捆扎，沒間隔0.2 m設(shè)置一個捆扎點。沿巷道方向，錨桿之間的距離設(shè)置為1 m。受到掘進機操作空間的影響，錨桿之間的間距不等，間距依次為0.7 m、1.1 m、1.3 m、1.1 m、0.7 m。肩窩位置的錨桿與巷幫之間的距離為0.25 m，安裝時傾斜15°。所有錨桿通過1 支樹脂錨固劑進行藥卷錨固，型號為CK2370。每排布設(shè)3 根錨索，相鄰錨索之間的距離為3 m。在頂板圍巖情況比較好的情況下，通過規(guī)格為Φ17.8 mm×6.2 m 的錨索進行錨固支護。如果遇到頂板圍巖不良的情況，則通過規(guī)格為Φ21.8 mm×8.3 m 的錨索進行錨固支護，通過配合π 型鋼梁進行支護。錨索的間距和排距分別為1.5 m和3 m。所有錨索通過2 支樹脂錨固劑進行藥卷錨固，型號為CK2370。原頂板支護方案在實踐中存在一定的問題，主要表現(xiàn)在掘進后穩(wěn)定性不足，維護成本較高。

2.2 頂板支護優(yōu)化方案

本文研究的工作面巷道截面是5.4 m×3.2 m 的矩形。這種截面形狀巷道有一定的優(yōu)勢，比如施工便捷、可以有效提升斷面利用率等。但在應(yīng)用中也存在一定的劣勢，比如底角和肩角部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。針對原有支護方案在實踐過程中存在的缺陷，對其進行了優(yōu)化改善。優(yōu)化后的巷道頂板支護方案如下頁圖1 所示。

每排設(shè)置4 根柔性錨桿，錨桿的規(guī)格為直徑21.8 mm，長度3.5 m，同樣為左旋螺紋鋼錨桿。錨桿的間距和排距全部設(shè)置為1.4 m。利用直徑為6 mm的鋼筋焊接制作鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)孔大小為70 mm×70 mm 或50 mm×100 mm，具體選用何種規(guī)格視具體情況而定，錨桿壓鋼筋網(wǎng)進行支護。所有錨桿兩端配合2 支樹脂錨固劑進行藥卷錨固，型號分別為CK2370 和Z2370。此外，還需要配合使用一個鎖具和拱形鋼托板，鎖具型號為KM22，鋼托板規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。通過直徑為27 mm 的鉆頭完成頂板的鉆孔工作，錨固長度控制在2.3～2.4 m左右，露在外面的長度控制在0.15～0.35 m。錨桿預(yù)緊力不得低于200 kN。

圖1 優(yōu)化后的巷道頂板支護方案示意圖（單位：mm）

3 兩種巷道頂板支護方案的對比分析

為了對優(yōu)化前后巷道頂板錨固支護方案的應(yīng)用效果進行對比。在考慮巷道圍巖屬性的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述的兩種巷道頂板錨固支護方案，利用FLAC3D軟件進行模擬分析，比較兩種頂板錨固支護方案的實際效果。

3.1 巷道垂直方向位移分布對比

在建立好數(shù)值仿真模型并完成分析計算工作后，提取兩種頂板錨固支護方案條件下巷道在垂直方向上的位移分布情況，結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，在原巷道頂板錨固支護方案下，巷道頂板的最大垂直位移達到了203.3 mm，而優(yōu)化后的頂板錨固支護方案條件下對應(yīng)的數(shù)值降低到了91.82 mm。進一步對比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的頂板出現(xiàn)較小垂直位移的區(qū)域有所擴大，表明巷道頂板的整體穩(wěn)定性相對更好。

圖2 兩種巷道頂板錨固支護方案下巷道在垂直方向的位移（m）分布情況

3.2 巷道垂直方向應(yīng)力分布對比

提取不同頂板錨固支護方案條件下垂直方向上的應(yīng)力分布情況。結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，優(yōu)化前后巷道在垂直方向上的應(yīng)力分布規(guī)律出現(xiàn)了顯著的差異。巷道附近均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且與巷道表面距離越遠，出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象越不顯著。優(yōu)化前后巷道在垂直方向上的最大應(yīng)力值分別為25.274 MPa 和23.897 MPa，優(yōu)化后的頂板錨固支護方案應(yīng)力集中值相對較小。進一步對比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案下，出現(xiàn)較大應(yīng)力的區(qū)域有所增加，表明巷道應(yīng)力得到了有效的分散，避免出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中問題。

圖3 兩種巷道頂板錨固支護方案下巷道在垂直方向的應(yīng)力（Pa）分布情況

基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，對原有的擋板錨固支護方案進行優(yōu)化后，巷道在垂直方向上的位移和應(yīng)力都有了一定程度的改善。因此，可以將其應(yīng)用到實踐中。

4 優(yōu)化后的巷道頂板錨固支護方案應(yīng)用效果評價

將優(yōu)化后的煤礦巷道頂板錨固支護方案應(yīng)用到工程實踐中，對其應(yīng)用效果進行評價。本文主要從巷道頂板沉降量和頂板離層現(xiàn)象進行評價。

4.1 巷道頂板沉降量監(jiān)測

本研究通過十字布點法實現(xiàn)巷道頂板沉降量的監(jiān)測。首先布置監(jiān)測點，沿著巷道方向每間隔50 m設(shè)置1 個監(jiān)測點。布置方法具體為：在垂直于頂板的方向進行鉆孔，孔徑和深度分別為29 mm 和600 mm，然后將帶有螺紋的短錨桿安裝在孔內(nèi)，使之伸出外面一段距離，并且裝上帶鉤螺母，作為監(jiān)測點。每間隔一段時間就通過專業(yè)測量工具測量監(jiān)測點的位移變化情況。測量頻率規(guī)定如下：成巷10 d 以內(nèi)每天進行1 次測量，10～30 d 每周進行2～3 次測量，30 d 后每周進行1～2 次測量。對監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)，在剛開始階段，頂板位移量的變形速率相對較大，以較快的速度在增長。10 d 左右時增長速度開始逐漸減緩，20 d 左右時頂板基本沒有再出現(xiàn)顯著的位移變形。達到穩(wěn)定狀態(tài)時，巷道頂板的最大位移變形量為104 mm。與仿真模擬結(jié)果雖然存在一定的差值，但誤差較小。

4.2 巷道頂板離層窺視

為了觀察巷道頂板離層具體情況，在巷道頂板區(qū)域進行鉆孔窺視。共鉆孔2 個，分別位于頂板中部位置和供肩位置。孔的直徑和深度分別為32 mm 和10 m。通過專業(yè)的礦用鉆孔成像軌跡檢測設(shè)備完成窺視工作，具體型號為ZKXG30。如圖4 所示為巷道頂板離層窺視情況。從圖中可以看出，采用優(yōu)化后的巷道支護方案后，頂板并沒有出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，只是出現(xiàn)了局部的縫隙或者離層。原來已經(jīng)出現(xiàn)的淺部離層通過本方案進行加固錨固后得到了很好的控制。

基于巷道頂板沉降量以及頂板離層窺視結(jié)果可以看出，本文提出的頂板優(yōu)化錨固支護方案效果良好，取得了很好的應(yīng)用效果，值得進一步推廣使用。

圖4 巷道頂板離層窺視

5 結(jié)論

優(yōu)化后巷道位移分布和應(yīng)力分布均有了顯著改善。將優(yōu)化后的巷道頂板錨固支護方案應(yīng)用到實踐中，對巷道頂板沉降量進行連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)最大沉降量為104 mm，頂板沉降控制效果良好。巷道頂板離層窺視結(jié)果表明頂板并沒有出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象。