煤礦井下巷道頂板切頂卸壓支護技術的研究

武東雷

（晉能控股煤業集團晉圣潤東煤業，山西 晉城 048100）

引言

在煤礦井下綜采作業過程中，巷道頂板的穩定性直接決定了井下綜采作業的安全性，隨著煤礦綜采作業深度的不斷增加，井下地質條件愈加復雜，巷道頂板應力集中大，礦壓波動及綜采作業受擾動的情況較多，極易引起頂板變形超標、垮塌等問題，給煤礦井下的綜采作業帶來了嚴重的安全隱患。

因此，本文在對井下地質狀況和支護形式進行充分分析的基礎上，提出了一種新的煤礦井下巷道頂板切頂卸壓支護技術，采用恒阻大變形錨索對巷道頂板進行補強支護，對補強形式、補強技術參數進行了研究，確定了最佳支護方案，并對優化前后巷道頂板的實際狀態進行了對比。根據監測表明，新的支護技術方案能夠將頂板位移量降低30.6%，將巷道兩幫變形量降低69.5%，有效解決了巷道頂板在應力作用下的變形情況，對提升井下綜采作業安全性具有十分重要的意義。

1 支護現狀

以煤礦井下典型不穩定地質條件為例，其煤層平均厚度約為3.3 m，綜采面的傾斜段長度為133 m，綜采面的走向長度為77 m，煤層的平均傾角約為5.2°，煤層的埋深約為405 m。巷道頂板主要是粉砂巖、中砂巖和泥巖的混合層級，最上面為粉砂巖，平均厚度為1.44m，第二層為中砂巖，平均厚度為2.51m，第三層主要為泥巖，平均厚度為1.66 m。

井下綜采面的輔助運輸巷為矩形斷面結構，矩形斷面尺寸為3 100 mm×5 000 mm，支護時采用錨網索支護，在頂板處每排設置5組支護錨桿，設置支護錨桿的間距為1 000 mm×1 000 mm，并設置在巷道頂板接近實體煤幫的位置，要求支護錨桿和水平面呈75°的夾角，以確保支護的穩定性，對于其他位置的支護錨桿可以采用豎直布置結構。在靠近實體煤幫的位置，每隔4 000 mm設置一個鋼絞線錨索，在巷道兩側各設置一組間距為900 mm×900 mm的支護錨桿，最上側和最下側的錨桿與水平面呈15°傾角。

2 恒阻大錨索支護

2.1 補強形式研究

1）恒阻大錨索是一種新型的具有負泊松比的新型支護材料，不僅可以提供較大的支護阻力并保持支護阻力的穩定性，而且能夠根據圍巖的變形情況調整自身的滑移變形，以提高在復雜地質條件下的支護穩定性。在該巷道采用恒阻大錨索進行支護時，不僅要承受頂板礦壓波動的影響，還要承受在綜采作業期間綜采擾動的影響。

在對多種恒阻大錨索工作情況進行分析的基礎上，最終選擇了HZS35-300型支護錨索，該錨索的恒阻器長度為500 mm，最大的允許變形量為350 mm，錨索的恒阻值為30.3 t，錨索直徑為21.4 mm，在工作過程中，恒阻大錨索和圍巖相互作用的原理如圖1所示[1]。

圖1 恒阻大錨索和圍巖相互作用示意圖

2.2 補強技術參數研究

恒阻大錨索在支護時，其長度將直接影響支護的效率和安全性，因此在設計時，應重點對其支護參數進行優化[2]。

恒阻大錨索的長度主要取決于支護區域巖層的切縫深度，根據井下巷道頂板的地質情況，其巷道頂板上的切縫深度H可表示為[3]：

式中：H1為煤層高度，取3.1 m；ΔH2為巷道頂板下沉量，取0 m；ΔH3為巷道底鼓量，取0 m；K為表示巖層的碎脹系數，取1.41。

代入數據，計算得H=7.56 m。

為保證巷道頂板在采空區垮落后頂板圍巖的穩定性，在固定恒阻大錨索時應該將其固定在預裂縫隙深處的穩定巖層中。因此，根據經驗公式，恒阻大錨索的長度應該比頂板切縫的深度大2 mm左右，再根據相應錨索規格[4]，最終選擇的錨索長度為9 300 mm。

結合井下巷道現有支護結構，在礦壓波動規律進行監測的基礎上，將現有支護結構內設置兩列恒阻大錨索，第一列錨索和切縫的距離約為600 mm，排距約為2 500 mm，第二列錨索和第一列錨索之間的距離設置為1 500 mm，排距為2 500 mm，其支護密度為0.8根/m2，其支護結構如圖2所示。

圖2 恒阻大錨索支護結構示意圖（mm）

3 應用效果分析

為對優化前后的實際支護效果進行對比分析，在巷道內采用了布點監測的方式，對巷道頂板和兩幫的變形量進行監控，優化前后頂板和兩幫的變形情況如圖3所示。

由圖3可知，優化后巷道頂板的平均位移量約為255 mm，在進行支護結構優化后的平均位移情況約為177 mm，比優化前降低了約30.6%。在優化前，巷道內兩幫的位移量約為668 mm，在進行支護結構優化后的平均位移情況約為204 mm，比優化前降低了約69.5%。因此可知，采用新的煤礦井下巷道頂板切頂卸壓支護技術，能夠顯著提升煤礦井下綜采作業過程中的巷道穩定性，對提升井下綜采作業效率和安全性具有十分重要的意義。

圖3 優化前后頂板及兩幫變形量對比

4 結論

1）巷道采用恒阻大錨索進行支護時，不僅要承受頂板礦壓波動的影響，還要承受在綜采作業期間綜采擾動的影響。

2）為保證巷道頂板在采空區垮落后頂板圍巖的穩定性，恒阻大錨索在固定時應該固定在預裂縫隙深處的穩定巖層中，最終選定的錨索長度為9 300 mm，以確保支護穩定性。

3）優化后巷道頂板的平均位移量比優化前降低了約30.6%，巷道內兩幫的位移量比優化前降低了約69.5%，顯著提升了煤礦井下綜采作業過程中的巷道穩定性。