煤礦井下頂板形變控制及支護技術研究

常 北

（山西晉煤集團晉圣三溝鑫都煤業有限公司，山西 沁水 048200）

山西晉煤集團晉圣三溝鑫都煤業有限公司位于沁水縣城西南，井田內可采煤層為山西組的2 號煤層及太原組的15 號煤層，其中2 號煤層位于山西組中部，煤層平均厚度3.6 m，厚度變化較大，總體變化規律為由西向東逐漸變薄，其可采性指數為0.50，厚度變異系數為66.3%。可采區內煤層平均厚度為3.32 m，屬中厚煤層，煤層穩定性程度屬較穩定大部可采煤層，含多個夾矸層，結構相對簡單。頂板主要為砂質泥巖、粉砂巖及砂巖，結構穩定性差，在頂板來壓波動時下沉嚴重，偶有冒頂，給綜采作業安全造成了嚴重的影響。

針對上述情況，最初采用了多重支護的方案，在頂板脆弱區域進行重點加強支護，但在實際應用過程中發現，多重支護的方案工作量大，效率極低，嚴重影響了綜采作業效率。結合實際地質情況提出了一種新的多層次頂板變形控制和支護技術，以錨桿和錨索為支護核心，通過布局優化，在不增加支護結構的基礎上頂板下沉量降低了72.4%，兩幫移近量降低了76.1%。

1 巷道頂板變形原因分析

在對不同區域的變形因素分析并結合近年來頂板變形原因統計發現：一方面由于2 號煤層的頂板為砂質泥巖、粉砂巖及砂巖，結構穩定性差，在巷道掘進后會以較快的速度在自重的作用下下沉，同時由于緊鄰井下富水區域，巷道頂板裂隙內富含水，在水的作用下頂板結構穩定性進一步被破壞，降低了整體強度；另一方面，頂板發育軟弱夾矸層等多種類別的巖層結構，支護方案主要采用的是單一全錨索支護[1]，會導致不同區域的錨索預應力損失或者受剪切力破壞，預應力損失到一定程度或者錨索破壞后將導致支護失穩、冒頂、煤幫內擠等，如圖1。

圖1 煤礦井下冒頂及煤幫內擠結構示意圖

2 頂板支護優化

對巷道頂板的支護采用了錨、索、網聯合多層次支護[2]，重新對長錨桿、長錨索、短錨索規格進行選擇和結構布置。

為了與井下現有的支護方式基本保持一致，減少對支護物料的需求，采用了高強度左旋螺紋鋼錨桿，每排設置6 根，間排距1200 mm×1000 mm，錨桿的幫距為250 mm。錨桿布置時，兩側的錨桿與巷道兩側呈現10°的夾角，其他區域的錨桿均和巷道頂板相互垂直。采用樹脂加長錨固的方式，預緊力不小于500 N·m。鋼筋托梁選擇直徑為15 mm 的螺紋鋼焊接而成，托梁規定為5100 mm×80 mm。為了保證托梁在受力情況下的穩定性，在設置錨桿的地方焊接兩個加強筋及承力機構。

長錨索采用1×19 股的高強度鋼絞線。錨索布置時依據長錨桿布置結構，每排設置3 組錨索，錨索的間排距為2400 mm×1500 mm，錨索的幫距為1250 mm。錨索采用樹脂加長錨固的方案，用三支錨固劑錨固，錨固的長度不小于2000 mm，預緊力不小于300 kN。鋼筋托梁選擇直徑為15 mm 的螺紋鋼焊接而成，托梁規格為3100 mm×80 mm，在錨索的搭接處設置一個搭接縱筋，各個縱筋的距離約為120 mm。

短錨索同樣采用1×19 股的高強度鋼絞線。每排設置4 組錨索，間排距為2400 mm×1500 mm，錨索的幫距為450 mm。錨索采用樹脂加長錨固的方案，用三支錨固劑進行錨固，錨固深度不小于2000 mm，預緊力不小于300 kN。鋼筋托梁選擇直徑為15 mm 的螺紋鋼焊接而成，托梁規格為4600 mm×80 mm，在錨索的搭接處設置一個搭接縱筋，各個縱筋的距離約為120 mm。

鋼筋網片采用直徑為6 mm 的鋼筋焊接而成，網孔的尺寸為120 mm×120 mm，各個網片之間采用搭接的方案，搭接長度不小于150 m。支護結構如圖2。

3 巷幫支護優化

采用錨索、網聯合多層次支護方案對巷幫的支護進行優化。

錨索選用1×19 股的高強度鋼絞線，在錨索的端部設置有攪拌機構，在錨索末端設置有相應的鎖具[3]。錨索按每排3 組的形式進行布置，錨索之間的間排距為1200 mm×950 mm。鋼筋托梁采用直徑為12 mm 的鋼筋構成，規格尺寸為4000 mm×80 mm，400 mm×400 mm×16 mm 的高強度托板，采用三支錨固劑樹脂加長錨固的方案，錨固長度不低于2000 mm，預緊力不小于200 kN。

錨桿選用高強度左旋螺紋鋼，錨桿布置在巷道頂、底角，每組2 根，錨桿之間排距為1200 mm，頂角錨桿距離頂板250 mm，底角錨桿距底板370 mm，10°偏角，錨固時采用兩支錨固劑的樹脂加長錨固方案，緊固力矩不小于500 N·m。

鋼筋網片采用直徑為6 mm 的鋼筋焊接而成，網孔的尺寸為110 mm×110 mm，各個網片之間搭接長度不小于150 m。兩幫支護結構如圖3。

圖2 煤礦井下巷道頂板支護結構示意圖

圖3 煤礦井下巷道兩幫支護結構示意圖

4 應用效果分析

新的巷道頂板支護方案在應用以來取得了極好的效果。在井下巷道內設置3 個監測站，采用加密網格布點的方案對其進行監測，同時采用位移傳感器和多功能成像分析儀[4]對巷道頂板和兩幫的變形情況進行統計。結果表明在支護后的90 d 內，巷道頂板的平均下沉量約為62.4 mm，比優化前降低了72.4%，巷道兩幫的平均移近量約為147 mm，比優化前降低了76.1%，顯著地提升了綜采作業安全性和綜采效率。優化后井下頂板和兩幫的支護效果如圖4。

圖4 優化后巷道頂板和兩幫支護效果圖

5 結論

針對鑫都煤業綜采工作面順槽頂板下沉嚴重的情況，在對頂板變形失穩原因進行分析的基礎上，提出了多層次頂板變形控制和支護技術，實際應用表明：

（1）巷道頂板結構脆弱，在重力作用下的沉降以及巖層結構復雜，采用單一層次的全錨索支護無法滿足礦壓波動下的支護穩定性需求是導致頂板沉降失控的主要因素。

（2）對巷道頂板和兩幫的支護采用了錨、索、網聯合多層次支護方案，能夠將頂板下沉量降低72.4%，將兩幫移近量降低76.1%，顯著提升井下支護穩定性。