頂板破碎煤層聯合支護方式的改進

曹海龍

(大同煤礦集團永定莊煤業公司，山西 大同 037000)

0 引言

隨著世界經濟的快速發展，對于能源的需求日益增加，煤炭作為我國主要能源之一，對我國經濟的發展具有重要影響，如何確保煤炭安全高效的開采成為整個行業面臨的重大難題[1-2]。在煤炭開采過程中，頂板事故是礦井發生頻率較高，危害較大的事故之一，因此煤層頂板安全有效的支護一直是礦井安全作業的重中之重[3]。

為充分保障井下的安全生產作業，推動煤礦企業持續穩定的發展，需要對石炭系煤層頂板進行安全可靠的支護。當前，針對于中厚煤層破碎頂板采用的支護方式主要有“錨網索”“錨網索+架棚”“全錨索+金屬網”以及架棚支護等[4-6]。然而，傳統的常規錨桿錨索聯合支護技術逐漸難以實現對石炭系煤層破碎頂板的有效支護[7-9]。為解決這一問題，結合石炭系煤層開采特點和實際情況，在傳統的常規錨桿+錨索支護技術基礎上提出一種主動支護與被動支護相結合的頂板聯合支護方式。

1 支護技術

1.1 頂板巖性

大同礦區賦存著侏羅紀系煤層和石炭系煤層，其中，石炭系煤層穩定性差且頂板結構情況復雜，該煤層頂板巖性情況見表1。隨著對石炭系煤層的開采，煤層頂板局部容易出現火成巖侵入，這增加了煤層頂板的壓力，容易造成頂板的破碎，甚至發生冒頂事故，嚴重威脅到井下工作人員的生命安全和企業財產安全。

表1 石炭系煤層頂板巖性

1.2 錨桿+錨索支護

將高質量的錨桿+錨索同時設置在頂板巖層中，能夠發揮出它們的加固作用。錨索自身的工程延伸量小，促使煤層頂板在其變形范圍內產生松動破壞區減小[10-13]。合理設置錨桿能夠有效對煤層頂板下分層的巖體起到穩固作用，促使它和頂板上分層結合成一個有機的整體，從而保證了頂板的安全穩固性。并且，由于錨索長度能夠有效深入到巷道頂部較深位置的穩定巖層中，這樣就可以進一步對錨桿支護能力進行補強，同時對巷道頂板深部巖層進行大應力預緊加固，將頂板過于松動范圍的巖層有效懸吊在深部穩定巖層當中。錨桿+錨索支護是目前煤層頂板支護應用較為有效的一種主動支護方式。

1.3 局部鋼針+架棚支護+噴漿處理

鋼針支護是將鋼針插入預先設計頂板的位置，使鋼針在未掘進煤體內形成假頂，利用鋼針穩固頂板破碎煤層，對破碎頂板起到超前支護的作用。待鋼針固定在煤層頂板上方以后，直接在鋼針下方打頂板鋼帶及相應的錨桿+錨索支護，從而有效固定破碎的煤層頂板。架棚支護作為一種被動支護技術，通常使用工字鋼或U型鋼棚子對煤層巖體進行局部補強支護，在提高頂板可靠性、穩定性方面起到很大的作用。噴漿處理能夠及時封閉裸露的巖石，防止其進一步風化。因此，在煤層巖性較差以及頂板壓力較大發生破碎時，采取局部鋼針+架棚支護+噴漿處理組合的被動支護方式可顯著提高支護效果，減少事故的發生。

2 聯合支護方式的改進

2.1 改進思路

根據石炭系煤層的實際情況，提出一種以錨桿+錨索(頂錨索+角錨索)+金屬網+組合錨索為承載結構，配合對特殊巖層局部串鋼針支護+局部架棚+噴漿的改進聯合支護方式。錨桿+錨索+金屬網+組合錨索的承載結構作為一種主動支護形式，對煤層地質條件的適應性強，而且能夠顯著提高頂板的承載能力，有效保證了煤層頂板的穩定性。由于石炭系煤層頂板的巖層環境可能存在部分強度較低的灰巖與砂巖，僅采用單一性的錨桿+錨索+金屬網+組合錨索支護方式難以使頂板的加固處理達到預期穩定效果，可能導致煤層頂板出現大面積的破碎現象。因此，針對這類特殊巖層，在原有的承載結構基礎上增加局部鋼針+局部架棚+噴漿等被動支護方式，能夠有效地提高頂板破碎煤層的穩定性，達到最佳的頂板支護效果。

2.2 施工步驟

改進后的聯合支護方式具體施工步驟如圖1所示。在掘進過程中，首先觀測頂板煤巖情況，根據地質力學測試結果及以往煤層頂板支護經驗，確定錨桿、錨索和金屬網的長度、直徑以及其相應的位置和相互之間的間排距。對局部頂板破碎嚴重段增加組合錨索支護如圖2所示，其中組合錨索為5根錨索配備鋼托盤，錨索為兩根6 m錨索、兩根8 m錨索，一根10 m錨索，6 m和8 m錨索對角布置，10 m錨索居中布置。如遇到特殊地質構造帶，即巖體中灰巖及砂巖的成分較多，在原有支護結構上再增加局部串鋼針支護和局部架棚支護，最后在煤層表面進行噴漿處理，噴漿厚度不小于0.1 m，以保證頂板穩定性和施工安全性。

圖1 改進的聯合支護流程

圖2 組合錨索結構

3 結語

由于石炭系煤層結構復雜，對煤層頂板支護的穩定性要求勢必增加，尤其是在開采結構復雜、頂板破碎的煤層時，傳統錨桿+錨索的聯合支護方式可能無法有效保障開采的安全性和穩定性。在錨桿+錨索聯合支護的基礎上結合多種支護方式進行安全支護，能夠有效提高石炭系中厚煤層頂板破碎時的支護強度，使煤層頂板的穩定性和安全性得到顯著增強。此外，該支護方式結構簡單、施工方便，有效提高了安全性和開采效率，對煤礦企業的長久持續發展具有較大意義。