基于掘錨一體化特厚頂煤巷道快速掘進及支護技術分析

衛爭剛

摘要：綜采放頂煤開采是一種安全、高效的煤層開采方法，在我國煤礦得到了廣泛的推廣和應用。綜采工作面一般要求沿煤層底板組織開采巷道，巷道頂板為一定厚度的煤層。由于煤層的阻力一般低于巖層的阻力，如果煤層的薄片、節理等結構面相對復雜，將顯著增加道路支護的難度。在分析煤巷圍巖煤層錨桿錨索錨固性能監測機理的基礎上，研究了高精度錨桿支護技術。該技術在煤礦的應用結果表明，該技術能有效地控制特厚煤層整個煤巷的強烈變形，滿足煤礦安全高效生產的需要。

關鍵詞：特厚煤層;快速掘進;支護

隨著我國煤炭開采機械化水平的提高，高產高效礦井對道路掘進效率提出了更高的要求。我國煤礦巖巷開挖的地質條件、成本和效益決定了主要的開挖方式。因此，多個掘進工序的效率、科學技術的采用和合理支護系統的設計是煤礦高效掘進的重要保證。某煤礦公司正在開采特厚煤層，如主采 10#煤層，平均厚度為11.7米。不僅煤層厚度大，而且煤的結構復雜。

一、特厚頂煤巷道圍巖地質力學特性及可錨性測試

采用兩種方法測量煤的強度：一種是在實驗室對煤樣進行現場取樣和壓縮試驗;二是采用鉆穿法測試巷道掘進時煤層的單軸壓縮力。

1.1實驗室測試。在煤礦 1002 回風順槽頂板對 10# 煤層現場取樣，試驗采用MTS815 GT Rock試驗系統。在加載達到最大值前，采用軸向加載控制方式，加載速率為30kN/min;當接近最大值時，采用橫向變形控制方法。首先，在約束壓力為0時進行單軸壓縮試驗，煤樣的單軸壓縮力為15.0 mpa-24.6 mpa，平均值為19.8mpa。然后進行了煤樣在安全殼壓力下的壓縮試驗。圍壓分別為3.2 MPa、16 MPa和22.4 MPa，圍壓負荷率為3 MPa/min。隨著圍壓的增加，煤樣的抗壓強度增加。

1.2井下試驗。采用鉆孔穿透法，在地下道路鉆孔內進行了煤層阻力的現場測試。一個深度為10m的鉆孔垂直布置在屋頂中間，水平布置在道路側面的中間。圍巖力測試儀用于測量頂板和側縫的壓縮力。輔助道路煤礦運輸試驗結果如下：通過頂板鉆孔的煤炭墊片的平均壓縮力為10.1MPa，巷井側面煤炭接頭的平均壓縮力為12.7MPa;鉆入頂板煤層的平均壓縮力為12.4MPa，鉆入巷井煤層的平均壓縮力為13.4MPa。通過將實驗室試驗結果與進口孔板現場試驗結果進行比較，可以驗證現場試驗數據明顯低于實驗室數據。主要原因是在實驗室煤樣中測量了整個煤塊的強度，而現場地下測量的結果更接近于煤體的強度。

1.3煤層結構。礦區特厚煤層結構較為復雜。煤層在垂直方向上非常復雜，受力變化很大。硅化煤具有很高的阻力，而混合煤具有松散的結構和很低的強度。利用kdvj-400電子穿刺采煤機帶路、輔助運輸道路、回風巷、塔山煤礦首采降落傘對圍巖結構進行了觀測。

觀測結果直接反映了巷道頂板的結構分布。煤層頂部多處橫向席狀裂隙、縱向和斜向節理裂隙。淺層煤體較破碎，部分部位出現明顯分選。這些結構對道路屋頂的完整性和穩定性有重大影響。

1.4地應力

由于煤層電阻率低，結構破碎，煤層地應力測量非常困難。為了了解超厚煤層周圍原始巖石的張力狀態，對煤層頂板巖石進行了地應力測量。小型液壓原位應力測量裝置用于對運輸輔助道路和煤礦1002的測點進行原位應力測量。結果表明：

（1） 三個測點的主要最大水平應力大于垂直應力。地應力場以水平應力為主，以構造應力為主。

（2） 主水平最大應力和垂直應力之間的關系為1.02-1.09，兩者之間差異不大。主最大水平應力與最小水平應力之比為1.49-1.86，表明水平應力具有明顯的方向性。

（3） 三個測點的主要水平最大作用力方向為NNE向，測量結果一致，結果表明，研究區受北北東向構造應力的影響。

1.5煤層可錨性

例如，螺旋和錨索支護是在粗煤和特厚煤的上工作面完全機械化的情況下支護巷道的有效方法，但了解是否可以采用這種支護方法的關鍵是固定頂煤，即煤層處螺旋電纜和錨的固定應符合設計要求。因此，在地下進行了移除錨索和錨索的試驗。煤層顯示，在頂煤完整的位置，用k2335和z2360樹脂錨固劑錨固后，錨固力可達到150 kn以上;然而，受火成巖侵入影響的碎炭中，錨桿和錨索的錨固力較低，錨索錨固力低于100kn。并在該煤礦頂煤上進行了錨索固定力試驗。煤層處錨索錨固力可達250kN。綜上所述，在堅硬完整的頂煤中，螺桿與錨索的緊固力能滿足設計要求，而在松軟破碎的煤層中，螺桿與錨索的緊固能力較差，錨固力較低。因此，在較厚的頂煤巷道上使用螺旋索和錨桿支護時，需要選擇合理的錨固位置，通過完整或延長錨固來保證螺旋索和錨桿的錨固性能。

二、特厚頂煤高速公路支護原理

2.1 煤頂巷道的變形主要包括兩部分：一是煤體結構平面的擴展變形，如分離、滑動、裂縫張開和新一代裂縫;二是煤的彈性變形、峰值強度前的塑性變形和錨固區的一般變形。合理的煤頂巷道支護應顯著提高支護系統的初始剛度和支護強度，有效控制煤體膨脹變形，保持較高煤體的完整性。同時，支撐系統應足夠加長，以允許第二次變形釋放高應力。

2.2 錨桿和錨索對支護效果起著決定性的作用。根據煤層頂板的路況，將錨桿和錨索固定在合理位置，在圍巖中施加合理的預應力，是支護工程的關鍵。

2.3錨索在煤頂板巷道中的作用主要有兩個方面：一是將上部煤中錨桿支架形成的支承結構與深部炭體連接，提高支承結構的穩定性。條件是錨索必須錨固在最硬、最完整的煤縫處;二是錨索施加了巨大的預應力，與錨桿形成的壓縮應力區域結合，形成骨架網絡結構，主動支護圍巖。

三、特厚頂煤巷支護方法

根據上厚煤巷的特點，結合以上支護原理，確定上厚特厚煤巷的支護方式為：高阻力樹脂、加長錨桿、組合錨索，在圍巖破碎地段，可進行疏導加固。螺旋索和錨桿支護參數的設計采用動態信息設計方法。這種設計方法有兩個特點：一是項目不是一下子完成的，而是一個動態的過程;其次，項目充分利用每個過程中提供的信息，實時收集、分析和反饋信息。設計方法包括五個部分：巖石周圍道路的地質力學評估、初步設計、地下監測、信息反饋和校正設計。初始設計通常通過數值模擬結合現有經驗提出。初始地下工程實施后，應對巖石位移以及錨桿和錨索的作用力進行詳細監測;根據監測結果評估初始項目的合理性，必要時對初始項目進行修改。正常施工后應進行日常檢查，以確保道路安全。

四、結論

（1） 位于熔融煤頂部機械化部分的采煤道路，其主要特點是：上部煤厚大，火成巖侵入后，煤體破碎，受力劇烈變化;為滿足大型設備的運輸和通風需要，路段較大;頂板巖石強度高，開采影響大。這些特點給礦山巷道支護帶來了諸多問題，對支護技術要求較高。

參考文獻：

[1]胡學軍，范世民 . 煤巷錨桿支護成套技術在礦區的應用[J]. 煤炭科學技術，2017，31（6）：33–35