煤礦復合型頂板巷道支護方式優化研究與應用

田靖夫 許 帥 胡 楠

（1.山東能源棗礦集團礦管公司山西太岳分公司，山西 長治 046500；2.山東能源棗礦集團蔣莊煤礦，山東 滕州 277523）

1 工程概況

山西太岳煤礦井田范圍內褶曲構造極為發育，整個井田處于擠壓狀態，局部頂板結構較為復雜，煤層局部夾雜泥巖或炭質泥巖層及砂泥巖互層，存在復合頂板現象。同時，開拓、準備、回采的三類巷道均會出現底鼓、片幫、兩幫變形和頂板下沉，尤其是遇到地質構造發育地段，易造成巷道超高、超寬等現象，給巷道頂板安全管理帶來較大的安全隱患。

2 支護方式的選擇

（1）復合型頂板的圍巖巷道目前多采用錨索網支護方式，要想使錨桿（索）在復合型頂板中充分發揮支護作用，必須實現錨桿、錨索及時施打和主動控制圍巖。傳統的預應力錨桿、錨索基本支護參數：頂錨桿采用Ф18×2000mm圓鋼錨桿，間排距900mm×900mm；幫錨桿采用Ф16×1600mm圓鋼錨桿,間排距為900mm×900mm；錨索采用Ф15.24×5500mm低松弛鋼絞線，間排距為1800mm×2400mm；錨索托盤采用300mm×300mm×8mm的鋼托盤；頂部鋼筋梯用Ф10mm圓鋼按照設計斷面焊接制作；菱形網采用4#鐵絲編制而成護幫；頂部鋼筋網選用Ф5mm冷拔絲按網孔100mm×100mm焊接制作護頂。該種支護方式只能對巷道圍巖提供一個軸力約束，基本能滿足單一頂板情況的巷道支護，不能對復合型頂板及破碎較軟圍巖提供整體加固的效果。

（2）為了提高巷道掘進效率，改善巷道支護可靠性和效果，降低巷道修復支護成本，從整體上解決巷道支護問題，提高礦井的綜合經濟效益，在不增加總支護成本的前提下，通過相鄰工作面構造區段的壓力測試記錄、現場支護效果的顯現測試及支護結構的受力監測等手段，獲取最佳的支護參數及優化配置。基本支護參數改為：頂錨桿Ф20×2400mm左旋無縱筋螺紋錨桿，間排距800mm×800mm；幫錨桿采用Ф20×2000mm全螺紋等強鋼錨桿,間排距為800mm×800mm；錨索采用Ф17.8×5500mm低松弛鋼絞線，間排距為1600mm×1600mm;錨索托盤采用350mm×350mm×8mm的鋼托盤；頂部鋼筋梯用Ф12mm圓鋼按照設計斷面焊接制作；菱形網采用4#鐵絲編制而成護幫；頂部鋼筋網選用Ф6mm冷拔絲按網孔100mm×100mm或50mm×50mm焊接制作護頂。最終在保證安全的基礎上能夠實現一次性支護成功。

圖1 巷道斷面支護示意圖

（3）針對復合型頂板中較破碎圍巖結構，提前考慮把破碎的圍巖進行二次加固，支護材料的選擇尤為重要。為此，結合鉆孔注漿方案采取了預應力錨和自應力注。支護基本參數：Ф22×6000mm高強度螺旋肋結構預應力鋼絞線；安裝孔徑Ф32mm；材質強度1770MPa；索體破斷力400kN；樹脂錨固長度1000mm；注漿壓力5MPa。加固后，破碎較軟圍巖形成一個共同的承載結構，提高了整體強度和預應力錨注效果。同時，對其進行在線監測。

3 探討研究的內容及成果

3.1 研究內容

（1）對煤礦同區域構造區段內頂板管控按照應力分布與應力水平定量測試數據，結合相鄰工作面礦壓測試數據，分區段進行支護參數更改，并對比巷道變形量，確定今后巷道所要采取的支護參數。根據目前所開采的煤層頂底板具體情況選擇3個有針對性的地點，分別進行地應力測試和評價分析，把構造應力分布作為巷道支護優化設計的基礎數據。

（2）根據實際揭露的巷道地質及圍巖3類巷道支護情況，以回采巷道為主，研究測試煤層頂底板煤巖體的力學特征，為今后巷道支護設計提供理論依據和技術保障。

（3）針對開拓、準備、回采巷道，各選取2個試驗點，對三類巷道進行優化設計。在此基礎上進行現場觀測，根據現場觀測數據進一步進行方案優化。

（4）依據深井高地應力構造復雜礦井的巷道支護經驗，結合礦井實際情況（地應力異常、圍巖破碎、構造復雜），采取預應力錨和自應力注。

3.2 研究成果

（1）獲得了礦井開采范圍內不同區域構造區段應力分布和應力水平規律，對比各類數據，確定同采區巷道支護方式及參數。

（2）確定了煤層的頂底板巖石結構及力學性能在實際生產中可能存在制約生產的因素，為巷道支護提供基本依據。

（3）提供了開拓、準備、回采等三類巷道的合理支護方案。

（4）針對構造復雜區段，試用預應力錨注支護技術，礦井返修率降低至60%以上，采煤工作面超前支護區段巷道基本未發生變形。同時，獲得了礦井巷道及掘進工作面圍巖松動圈的范圍及變形破壞規律。

在巷道掘進支護期間，結合現場實際，根據支護方式及參數，不斷進行嘗試改變支護材料，通過增加補打注漿錨索的支護方式，優化適應頂底板、兩幫大變形的錨索盤改為錨梁聯合布置等方法,通過現場實施與監測應用效果顯著，并能夠有效地控制復合頂板圍巖的變形破壞。通過與相鄰工作面對比，即滿足了礦井生產需求，又減少了后期的修復及資金投入，可作為相同類型礦井地質構造段巷道掘進支護經驗的數據參考。

4 結語

通過更改支護材料參數及配合注漿錨索，同時優化適應頂底板、兩幫大變形的錨索盤改為錨梁聯合布置，通過與相鄰工作面巷道變形對比，現場實施與巷道變形控制效果顯著，能夠有效地控制復合頂板圍巖的變形破壞，是控制圍巖大變形的有效手段。通過數據對比，即滿足了礦井生產需求，又減少了后期的修復及資金投入。自2014年以來，太岳煤礦在巷道施工過程中，不斷摸索、監測、分析和研究巷道的支護參數，杜絕了各類頂板安全生產事故，實現了礦井生產安全。