近距離煤層堅硬頂板巷道圍巖支護技術實踐

趙耀榮

（西山煤電集團有限責任公司馬蘭礦， 山西 古交 030200）

我國煤炭資源賦存情況整體埋藏較深，井工開采是當前的主要開采方式，然而，根據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國現(xiàn)行開采的煤礦中賦存有堅硬頂板的煤層占比約30%左右，嚴重制約著煤礦的高效安全開采[1，2]。西山煤電集團有限責任公司馬蘭礦（以下簡稱馬蘭礦）可采煤炭資源有3 號、9 號、13 號煤層，3號、9 號煤層已開采完畢，正在向13 號煤層延伸開采，13 號煤層的直接頂為K1 灰?guī)r（含有方解石），屬于典型的堅硬性頂板，且該礦原有的錨桿支護技術存在錨桿預緊力不夠大、桿體強度較低、配套構件與強度匹配性不佳的現(xiàn)場應用缺陷，直接影響到巷道支護效果。因此，研究、運用低成本、高效、穩(wěn)定的巷道圍巖支護技術對堅硬頂板煤層的開采具有重大意義。

1 工程概況

馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，礦區(qū)南北長約5.9 km，東西寬約6.3 km，礦井面積約32.8 km2，礦井設計生產(chǎn)能力400 萬t。礦井煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度2.8～3.5 m，平均厚度3.2 m，煤層傾角12°～23°，平均傾角17.5°。13 號煤152306 工作面的傾斜長度為180 m，推進長度為1 300 m，東部為保護煤柱，北部為132307 工作面（已采），西部為13 號煤二盤區(qū)回風巷、膠帶巷、軌道巷，南部為132305 工作面，見圖1。工作面中部有多個向背斜，煤層起伏較大，煤層傾角平均3.5°，局部傾角達10°左右，瓦斯絕對涌出量為1～4 m3/min，采用綜合機械化一次性采全高的方式進行回采，平均采高2.2 m。工作面布置圖如圖1 所示。

2 圍巖力學性質(zhì)測試與分析

圖1 152306 工作面布置（m）

為詳細了解巷道周圍巖體的地質(zhì)力學性質(zhì)，在運用鉆孔窺視技術對圍巖結(jié)構及頂板巖性進行探測分析的基礎上，運用水力壓裂法進行圍巖應力計算分析，得出：

1）13 號煤頂板巖層為以較致密的石灰?guī)r為主，厚度分布不均勻，強度普遍較大，在頂板10 m 的范圍內(nèi)強度值平均能夠達到105.35 MPa。

2）13 號煤頂部存在大量裂隙、煤線和泥巖夾層、炭質(zhì)和石英質(zhì)結(jié)晶體，局部還有較為明顯的空洞區(qū)，削弱了頂板的整體強度，增加了開采過程中發(fā)生頂板離層的風險。

3）13 號煤的最大水平應力大小范圍為7.11～9.45 MPa，垂直主應力大小范圍為4.20～6.31 MPa，應力較低，總體上呈現(xiàn)最大水平主應力＞垂直主應力＞最小水平主應力的分布規(guī)律，以構造應力為主，需通過加強巷道頂板的整體支護強度改變巖體內(nèi)破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍內(nèi)的力學性質(zhì)，提升其屈服后的強度，進而提高其頂板巖層的自身承載能力。

3 巷道支護技術

大量的工程實踐證明，錨桿支護賦予巷道圍巖主動力，在井工煤礦巷道支護中得到廣泛應用，具有良好的經(jīng)濟性、實用性和安全性。但在工程實施過程中，因煤層賦存條件、開采工藝的差異性，致使支護形式、支護參數(shù)的選擇成為巷道支護的關鍵核心所在：支護強度過高，既會造成支護原料的浪費，也降低了開掘的效率；支護強度過低，不能有效控制圍巖變形，易發(fā)生冒頂，釀成安全生產(chǎn)事故。根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，結(jié)合數(shù)學分析，進而選擇合適的支護形式、支護參數(shù)的方法已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認可和大范圍應用[3，4]。

3.1 錨桿參數(shù)理論分析計算[4-5]

3.1.1 巷道斷面尺寸

綜合考慮施工中機械設備的體積大小，通風風量大小以及巷道圍巖變形預留量，最終確定152306巷道掘進斷面參數(shù)：寬4.7 m，高3 m，斷面面積為14.1 m2。

3.1.2 錨桿長度

考慮受到煤層內(nèi)裂隙的影響13 號煤層的普氏硬度系數(shù)fm取值為1.25，內(nèi)摩擦角為θm=tan-1fm=51.23°

不穩(wěn)定巖層高度：

式中：b1為1/2 巷道跨距，m；h0為巷道凈高，m；fd為加權普氏系數(shù)，取2。

采用懸吊理論對參數(shù)進行計算確定，在計算錨桿的有效長度時，首先應該計算出自然平衡拱的拱高值，用等式表示為l2=h。

根據(jù)式（2），確定錨桿的長度不小于2.1 m。

式中：l為錨桿長度；l1為錨固長度，≥0.3 m；l2為錨桿有效長度，采用懸吊理論對錨桿參數(shù)進行計算時，取l2=h；l3為錨桿外露長度，取0.1 m。

3.2 支護方式

根據(jù)錨桿群對圍巖的作用機理，為了在巷道圍巖中形成一定厚度的壓縮拱，需要充分發(fā)揮錨桿的組合和加固性能，因此，巷道支護方案通過錨桿+鋼帶+錨索補強的聯(lián)合支護方法對巷道進行支護。

3.2.1 頂板支護

1）頂錨桿。錨桿形式和規(guī)格：型號為Φ20-M22-2400，錨索體材料選用高強度的左旋式螺紋鋼，直徑為Φ20 mm，其長度為2.4 m。錨固方式：使用兩支錨固劑進行錨固，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.3 m。錨桿布置方式：每排共布置4 根錨桿，錨桿的間、排距均設置為1 200 mm。離側(cè)幫較近的一根頂錨桿距巷幫距離為550 mm。在頂板有明顯離層和裂隙的地段進行加密支護，每排5 根錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距1 000 mm。離側(cè)幫比較近的一根頂錨桿距巷幫350 mm。頂錨桿預緊力矩：大于300 N·m，小于500 N·m。錨桿錨固力：100 kN。托盤：使用拱型的高強度托盤，拱形變大于等于36 mm，尺寸為，配以球形墊和1010 尼龍墊圈。錨桿角度：垂直于頂板。網(wǎng)片規(guī)格：10 號鉛絲菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格40 mm×40 mm，網(wǎng)片規(guī)格4 700 mm×1 100 mm，網(wǎng)與網(wǎng)之間采用搭接法聯(lián)接，搭接長100 mm。

2）頂錨索。在工作面順槽使用直徑為Φ13.24 mm的低松弛預緊力的鋼絞線錨索，錨索長度選取5.4 m。布置方式：錨索采用對二布置，排距為20 000 mm（即每10 排錨桿打1 根錨索），錨索間距為2 400 mm，距巷幫1 130 mm，垂直頂板中部。錨索錨固方式：使用三支錨固劑進行錨固，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.5 m。錨索托盤：托盤鋼號大于等于Q235，拱高大于等于60 mm。錨索預緊力：130 kN；錨索錨固力：大于300 kN。

3.2.2 巷幫支護

錨桿形式和其規(guī)格：采用桿體為Φ20 mm 的普通圓鋼錨桿，（Q235），長度為2 400 mm。錨固方式：樹脂加長錨固，使用兩支錨固劑，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.3 m。錨桿布置方式：錨桿間、排距均為1 200 mm，每排設置3 根，錨桿起錨高度為300 mm。錨桿角度：靠近頂、底板的幫錨桿與水平線呈13°，其余錨桿與巷幫垂直。頂錨桿預緊力矩：180 N·m。錨桿錨固力：70 kN。鋼筋托梁規(guī)格：采用Φ12 mm 的鋼筋焊接而成，長度2 900 mm，寬度100 mm，在安裝錨桿的位置焊接上兩道縱筋，縱筋間距100 mm。網(wǎng)片規(guī)格：10 號鉛絲菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格40 mm×40 mm，網(wǎng)片規(guī)格3 000 mm×1 100 mm，網(wǎng)以及網(wǎng)之間采用搭接法聯(lián)接，搭接長100 mm。

4 現(xiàn)場應用效果驗證

4.1 巷道表面位移

為了驗證在采取上述支護方式和支護參數(shù)后巷道圍巖變形控制情況，參考相關作業(yè)規(guī)程的具體要求，在152306 工作面的進風順槽和回風順槽設置了多組綜合測站，為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性，對于相同巷道選用同款監(jiān)測設備，在交叉點位置安裝離層動態(tài)監(jiān)測。受文章篇幅限制，羅列代表性監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果如圖2 所示。監(jiān)測結(jié)果表明：頂板基本沒有下沉量，兩幫移近量也很小，巷道基本保持穩(wěn)定，從實測數(shù)據(jù)來看，頂?shù)装遄畲笠平繛?60 mm，兩幫最大位移量為240 mm，可見該巷道支護技術有效抑制了巷道圍巖發(fā)生位移及變形。

圖2 代表性監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果

4.2 頂板離層監(jiān)測

為監(jiān)測巷道頂板離層變化，在進回風順槽巷道共安裝頂板離層儀46 多個，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)的監(jiān)測點處的頂板離層數(shù)值為零，只有較少一部分的離層儀的顯示離層數(shù)值范圍在之間。由以上的結(jié)果可以得到，聯(lián)合支護方式對條順槽巷道頂板的穩(wěn)定起到了至關重要的作用。

5 結(jié)論

1）隨著井工煤礦開采深度的不斷延伸，綜合開采條件將更加復雜，堅硬頂板巷道圍巖支護難度也將逐漸加大，如何克服地熱、沖擊地壓、地質(zhì)斷層等不利條件給堅硬頂板巷道圍巖支護帶來的挑戰(zhàn)，任務煤炭行業(yè)科學工作者及工程技術人員長時間研究、創(chuàng)新。

2）通過采取錨桿+鋼帶+錨索補強的巷道聯(lián)合支護方式和合適的支護參數(shù)，有效抑制了巷道圍巖位移變形和頂板離層，維持了巷道形態(tài)的穩(wěn)定，起到了良好的支護效果。