穩定厚灰巖層頂板巷道支護優化技術研究

王玉中

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉 045008）

引言

穩定厚灰巖層巷道圍巖支護優化技術，是巷道支護研究內容之一。在實踐過程中，經常因為頂板條件較好，出現輕兩幫的支護情況。特別是當巷道構造應力和垂直應力差值較大，構造應力占據主要優勢時，會造成頂板支護過強，幫支護不到位，出現兩幫支護失效的問題。會影響整個支護方案的效果和現場的安全生產，為解決上述問題，扭轉頂幫支護不協調的現狀，通過支護評估分析、優化巷道支護協調，提出了合理的支護方案，實現了巷道支護的科學合理。

1 巷道條件

陽煤一礦8404進風系統巷地表位于崔家莊以南，蘆湖溝以北的山梁溝谷地帶。地表有周家山村及門形塔，電力線橫穿本工作面。井下位于北丈八井南條帶四采區西南部，南部為新景礦井田、三礦井田，北部為8406工作面（未掘）區，東部為8401工作面（正采）[1-2]。進風巷作為本工作面進風兼運煤、下料巷；切巷作為回采工作面。進風巷米是沿15號煤基本頂掘進的半煤巖巷，巷道服務年限為3年。根據地質科給定的資料該區域總體為－單斜構造，局部地段發育有次一級的向、背斜構造。本工作面進風巷掘進至距本采區西副巷以西555.3 m左右可能揭露一個陷落柱，編號為DX1。煤層傾角在3°～8°之間，平均為5°。煤層頂底板情況如表1所示。

表1 煤層頂底板情況表

2 初始支護評估分析

巷道頂板較為穩定狀態，沒有明顯變形鼓包和離層下沉現象，較為平整；巷道兩幫變形嚴重，片幫、鼓包，部分段巷幫煤體從錨桿托板四周鼓出來并將托板埋進去，巷道處在安全隱患。

1）支護參數不合理：原支護方案中，僅依靠工程類比和實踐經驗進行設計，沒有煤巖體地質力學參數，支護參數缺乏科學依據。

2）頂板支護過度：巷道直接頂板為平均厚度7.5 m的石灰巖層，厚度是巷道跨度的近2倍，課件頂板為穩定關鍵巖層；原支護錨桿排距1.0 m，支護過密；錨索長度過大為7.2 m，影響預緊效果和施工速度[3-4]。

3）巷幫支護偏弱：巷幫錨桿長度較頂板較短，僅1.6 m；巷幫錨桿預緊扭矩較小，僅為150 N·m；可見巷幫支護強度和剛度都較低，加之錨桿托板護表面積較小，影響錨桿預緊力的施加和擴散，從而導致巷幫整體支護較弱，與頂板支護不協調，導致巷道兩邊變形、片幫，存有失穩破壞的安全隱患。

4）支護構件匹配不合理：頂板錨索配套使用的14號槽鋼，從承載能力到受力狀態、護表面積，均與錨索高剛度剛強度特性不匹配，影響錨索整體作用效果。巷幫錨桿配套使用的小面積平鋼板，護表面積、受力狀態和承載能力，均與錨桿強度剛度不匹配，影響錨桿整體支護效果。

3 巷道支護優化原則

1）完善地質力學參數測試，提高科學性：進行地質力學參數測試，完善支護設計基礎參數，在此基礎上，結合地質及生產條件，進行支護方案優化。

2）頂幫協調支護：優化頂板支護，加強巷幫支護，實現頂板協調支護，防止因巷幫失穩變形，引發巷道安全事故[5]。

3）提高支護系統剛度。錨索施工的關鍵參數是高預應力，支護系統剛度的提高，不僅可以達到支護目的，而且可以提高巷道的整體調節和支護能力。

4 支護方案

結合巷道賦存條件，參考各類型巷道支護經驗，經過對問題的分析及優化支護參數和構件匹配的基礎上，確定采用高剛度低密度索錨桿組合支護技術。頂幫桿體為18號圓鋼麻花錨桿，鋼號235號，長度2.0 m，桿尾螺紋M20；配套高強螺母、調心球墊、尼龍墊圈和150 mm×150 mm×10 mm拱形托板；頂板錨桿間排距1.2 m×1.3 m，巷幫錨桿間排距0.9 m×1.3 m；頂板錨索為Φ15.2 mm7股預應力鋼絞線，長度5.2 m，配套高強鎖具、調心球墊和300 mm×300 mm×12 mm拱形托板，居中布置，排距3.9 m；頂幫均采用鋼筋托梁和金屬經緯網進行護表。

頂板錨桿預緊扭矩200～400 N·m，頂板錨索預緊張拉力不低于150 kN；巷道支護斷面如圖1。

圖1 巷道支護布置圖（單位：mm）

5 礦壓監測與效果評價

巷道整體平整度和成型性較好，局部段出現小的鼓包下沉，頂板最大下沉量約28 mm，兩幫最大移近量約＞37 mm，圍巖變形占巷道尺寸比例較小，如圖2所示。

圖2 表面位移監測

如圖3所示，頂板錨索初始預緊力主要集中在150～180 kN之間，基本達到高預緊力要求，后期部分錨索受力較大，掘進期間最大受力進235 kN；掘進期間錨索受力在前3 d內迅速增大并達到平衡，之后基本維持不變。總的來說，巷道處于穩定狀態，圍巖變形和錨桿錨索受力也都處在允許范圍內。從現場可知，除局部段有頂幫變形破碎外，其余均處于完整穩定狀態。加之巷道狀況的改善，巷道掘進效率也明顯提升，月進尺由90 m提升至120 m以上，巷道的維修量也大大減少，維修工數較少2個，節約成本投入20萬元以上。

圖3 錨索受力監測

6 結論

1）巷道支護是系統工程，要根據頂幫地質條件進行科學論證，實現頂幫支護的協調統一，確保支護方案的科學合理性。

2）支護剛度是支護設計的主要參數，要把支護剛度作為支護設計的關鍵，可以有效地降低支護密度，實現掘進效率的提升，做好支護效率的成本管控。

3）改進支護構件，實現材料合理匹配，擴大護表面積，有利于巷幫支護預緊力的施加和擴散，保證支護效果。

4）通過系統的優化和施工，顯著地改善了巷道施工狀況，滿足了高效掘進的條件，創造了可觀的經濟效益，具有較大的推廣價值。