近距離高應力條件下煤層巷道頂板控制技術的實踐

張漢橋

（黑龍江省龍煤集團鶴崗礦業有限責任公司峻德煤礦，黑龍江 鶴崗 154101）

峻德煤礦近距離煤層下分層222 工作面回采巷道內錯布置時兩條順槽表現出截然不同的礦壓顯現狀況，回風順槽壓力明顯高于運輸順槽，巷道維護難度很大，嚴重拖慢掘進速度，需要滯后維修，須對近距離煤層高應力巷道頂板控制技術進行研究[1-3]。

1 工程概況

220 工作面回風順槽4-2和3-2煤層間距平均為1.2 m，沿煤層傾斜方向逐漸增大，到運輸順槽附近層間距達1.6～13.5 m，平均為10.5 m。220 運輸順槽掘進期間出現全斷面圍巖變形，補強支護后能夠勉強使用，當工作面回采至約800 m 時，222 運輸順槽壓力顯現十分劇烈，圍巖出現嚴重的斷面收縮，無法滿足正常生產需要，工作面停產封閉。

現礦井正在掘進222 工作面回采巷道，222 工作面位于4-2煤層，相對于上分層2301 采空區采用內錯式布置，運輸順槽和回風順槽內錯距均為20 m。4-2煤平均埋深為590 m，厚度約為10.4 m，上部3-2煤層厚度平均為4.18 m，4-2煤與3-2煤層間距0～30 m，平均10.5 m，巖性以粉砂巖為主。

222 回風順槽和222 運輸順槽支護參數相同，頂板和兩幫錨桿桿體為22#左旋無縱筋500 號螺紋鋼筋，長度2.4 m，加長錨固，托板下采用W 形鋼護板作為護表構件。采用Φ6.5 mm 鋼筋編織的鋼筋網護頂、8#鐵絲編織的菱形金屬網護幫。錨桿排距900 mm，預緊扭矩不低于400 N·m。頂錨索為Φ21.8 mm，1×19 股高強度低松弛預應力鋼紋線，長度為6.3 m，樹脂加長錨固，每排2 根，排距為1800 mm，鎖緊預緊力要求達到250 kN。

兩條順槽生產地質條件基本相同，但掘進期間礦壓顯現截然不同。222 運輸順槽基本沒有明顯的壓力顯現，巷道成形很好，頂板和兩幫變形量均在100 mm 以內。222 回風順槽掘進壓力很大，煤炮聲頻繁，圍巖掘進后還未待進行支護即出現頂煤垮落，巷道成形很差，對支護也造成很大影響。頂板垮落形態如圖1。巷道掘進完成一段時間后，部分區域頂板出現下沉和網兜現象，需要進行挑頂；兩幫穩定性較好，無明顯的變形破壞。

由于頂板難以有效維護，222 回風順槽掘巷速度非常慢，掘進每日進尺在3 m 以內，已掘地段頂板變形后，需要停掘進行維修，整體成巷效率很低。

2 巷道頂板破壞原因分析

2.1 區域構造應力大

222 回風順槽靠近3-2和4-2煤層分叉線，且巷道掘進要穿過草灘向斜軸部區域，破壞最嚴重的區域與軸部位置相吻合。根據前期220 灌漿巷進行的地應力測試結果，測點最大水平主應力為22.63 MPa，屬于高應力值區域，最大水平主應力方向為N21.8°E，與222 回風順槽走向夾角13°。高構造應力環境造成煤體隨著開挖暴露而發生卸荷破壞，尤其是頂板的破壞相對幫部強烈很多，而222運輸順槽遠離煤層分叉區域和向斜構造，沒有明顯的壓力顯現，也能夠說明水平構造應力在巷道破壞過程中起主要的源動力作用。

2.2 錨桿（索）支護剛度不足

根據巷道支護設計，錨桿扭矩設計為不低于400 N·m，錨索張拉預緊力不低于250 kN，但從現場測試來看，錨桿（索）預緊力遠低于設計要求。分析原因為掘進工作面風壓不足，無法使用扭矩放大設備，錨桿機預緊完后只能采用人工進行二次緊固，錨桿預緊后形成的桿體預緊力多數在40 kN，只有桿體屈服極限的10%～20%；錨索現場采用手動泵張拉初始預緊力只有20～60 kN，遠低于設計標準。

錨桿、錨索受力變化趨勢基本相同，初始預緊力很低，支護剛度不足，頂板錨桿安裝后受力大幅增加，安裝3 d 后達到峰值，最大受力幾乎達到錨桿屈服極限，之后受力開始逐漸下降。錨桿、錨索受力從低到高增加的過程中，必然伴隨著頂板的擴容變形，頂板出現網兜，并有一定下沉現象。

3 巷道頂板控制措施

3.1 超前大直徑鉆孔卸壓

針對222 回風順槽掘進工作面構造應力集中并強烈顯現的情況，采用大直徑鉆孔對迎頭前方進行超前卸壓，以改善巷道圍巖的應力環境。卸壓鉆孔直徑150 mm，在迎頭施工5 個大直徑鉆孔，分2排布置，下排3 個、上排2 個，孔深40 m。當掘進迎頭至卸壓孔底部距離小于20 m 時，按照下排2 個、上排3 個的布置方式補打下一輪鉆孔，如此循環，始終保證掘進迎頭前方20 m 處于卸壓范圍，如圖2。

圖2 卸壓鉆孔布置剖面圖（m）

迎頭卸壓施工完，進行鉆屑法監測后，如左幫存在煤粉偏高等情況時，可將左側鉆孔沿走向方位向左側偏移一定角度，兼顧幫部區域的超前卸壓。

3.2 頂板全錨索支護

高應力巷道頂板控制的有效途徑是實現錨桿、錨索的高預應力及其有效擴散，充分發揮強力錨桿、錨索主動支護作用，構建一個強力承載結構，以抵抗高應力重新分布和釋放過程中的頂板荷載。錨桿、錨索的預應力大小對壓應力承載結構的形成起決定作用，而現場施工風壓不足，錨桿預緊的問題很難解決，所以考慮采用頂板全錨索的方案來實現強力承載結構的構建，如圖3。

圖3 頂板強力承載結構示意圖

采用長短錨索結合的頂板全錨索支護方案，將頂板支護的錨桿更換為3 m 短錨索，將原有手動張拉設備更換為電動液壓張拉設備。

短錨索形式和規格：錨索為Φ21.8 mm、1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度3.0 m，采用1支MSK2360 和1 支MSZ2360 樹脂錨固劑錨固，錨固長度1494 mm，初始張拉預緊力不低于200 kN。

長錨索形式和規格：錨索Φ21.8 mm、1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度6.3 m，采用1支MSK2360 和2 支MSZ2360 樹脂錨固劑錨固，錨固長度2242 mm，初始張拉預緊力不低于250 kN。

托板：短錨索和長錨索均采用300 mm×300 mm×16 mm 高強度拱形可調心托板及配套鎖具，錨索托板高度不低于60 mm，厚度不小于16 mm。

網片規格：將頂板鋼筋網變更為8#鐵絲編織而成的菱形金屬網，若出現嚴重垮頂或頂板壓力較大時，則更換為雙層菱形金屬網。

4 現場應用與驗證

（1）掘進速度提高。原支護下由于掘進后頂板即發生垮冒，施工人員必須等待垮冒結束、頂板穩定后才能到工作面進行支護，而且頂板成形狀況很差，鋪設金屬網和打設錨桿效率很低，日掘進速度只有3 m 左右。實施超前卸壓孔等措施后，頂板垮冒現象得到有效控制，垮冒持續時間和高度都大大降低，巷道成形狀況也得到改善，日掘進速度提高到10 m 以上。

（2）巷道變形破壞狀況大幅降低。根據日常巷道圍巖位移監測，掘進期間頂板未再出現鼓包現象，變形量控制效果顯著。

（3）在222 回風順槽1600 m 處安設錨索測力計，用來監測全錨索支護方案頂板錨索受力，共安設6 個測力計，其中短錨索4 個、長錨索2 個，監測時間為掘進后1 個月。使用全錨索支護方案后，錨索初始預緊力多數能夠達到150～200 kN，錨索安裝后1 個月內受力值有小幅波動，總體處于較為穩定的狀態，錨索支護作用得到良好發揮。

5 結論

222 工作面在掘進前采用大直徑鉆孔對迎頭前方進行超前卸壓，改善巷道圍巖的應力環境；通過頂板全錨索支護構建強力承載結構，抵抗高應力重新分布和釋放過程中的頂板荷載。現場驗證表明，采用超前卸壓孔+頂板全錨索支護方案能夠取得良好的頂板控制效果，能夠有效提高掘進速度，頂板變形量較小，錨索受力狀態較好。