煤礦復(fù)合型頂板巷道支護(hù)方式優(yōu)化研究與應(yīng)用

田靖夫 許 帥 胡 楠

（1.山東能源棗礦集團(tuán)礦管公司山西太岳分公司，山西 長(zhǎng)治 046500；2.山東能源棗礦集團(tuán)蔣莊煤礦，山東 滕州 277523）

1 工程概況

山西太岳煤礦井田范圍內(nèi)褶曲構(gòu)造極為發(fā)育，整個(gè)井田處于擠壓狀態(tài)，局部頂板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，煤層局部夾雜泥巖或炭質(zhì)泥巖層及砂泥巖互層，存在復(fù)合頂板現(xiàn)象。同時(shí)，開(kāi)拓、準(zhǔn)備、回采的三類巷道均會(huì)出現(xiàn)底鼓、片幫、兩幫變形和頂板下沉，尤其是遇到地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地段，易造成巷道超高、超寬等現(xiàn)象，給巷道頂板安全管理帶來(lái)較大的安全隱患。

2 支護(hù)方式的選擇

（1）復(fù)合型頂板的圍巖巷道目前多采用錨索網(wǎng)支護(hù)方式，要想使錨桿（索）在復(fù)合型頂板中充分發(fā)揮支護(hù)作用，必須實(shí)現(xiàn)錨桿、錨索及時(shí)施打和主動(dòng)控制圍巖。傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索基本支護(hù)參數(shù)：頂錨桿采用Ф18×2000mm圓鋼錨桿，間排距900mm×900mm；幫錨桿采用Ф16×1600mm圓鋼錨桿,間排距為900mm×900mm；錨索采用Ф15.24×5500mm低松弛鋼絞線，間排距為1800mm×2400mm；錨索托盤采用300mm×300mm×8mm的鋼托盤；頂部鋼筋梯用Ф10mm圓鋼按照設(shè)計(jì)斷面焊接制作；菱形網(wǎng)采用4#鐵絲編制而成護(hù)幫；頂部鋼筋網(wǎng)選用Ф5mm冷拔絲按網(wǎng)孔100mm×100mm焊接制作護(hù)頂。該種支護(hù)方式只能對(duì)巷道圍巖提供一個(gè)軸力約束，基本能滿足單一頂板情況的巷道支護(hù)，不能對(duì)復(fù)合型頂板及破碎較軟圍巖提供整體加固的效果。

（2）為了提高巷道掘進(jìn)效率，改善巷道支護(hù)可靠性和效果，降低巷道修復(fù)支護(hù)成本，從整體上解決巷道支護(hù)問(wèn)題，提高礦井的綜合經(jīng)濟(jì)效益，在不增加總支護(hù)成本的前提下，通過(guò)相鄰工作面構(gòu)造區(qū)段的壓力測(cè)試記錄、現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果的顯現(xiàn)測(cè)試及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力監(jiān)測(cè)等手段，獲取最佳的支護(hù)參數(shù)及優(yōu)化配置?；局ёo(hù)參數(shù)改為：頂錨桿Ф20×2400mm左旋無(wú)縱筋螺紋錨桿，間排距800mm×800mm；幫錨桿采用Ф20×2000mm全螺紋等強(qiáng)鋼錨桿,間排距為800mm×800mm；錨索采用Ф17.8×5500mm低松弛鋼絞線，間排距為1600mm×1600mm;錨索托盤采用350mm×350mm×8mm的鋼托盤；頂部鋼筋梯用Ф12mm圓鋼按照設(shè)計(jì)斷面焊接制作；菱形網(wǎng)采用4#鐵絲編制而成護(hù)幫；頂部鋼筋網(wǎng)選用Ф6mm冷拔絲按網(wǎng)孔100mm×100mm或50mm×50mm焊接制作護(hù)頂。最終在保證安全的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)一次性支護(hù)成功。

圖1 巷道斷面支護(hù)示意圖

（3）針對(duì)復(fù)合型頂板中較破碎圍巖結(jié)構(gòu)，提前考慮把破碎的圍巖進(jìn)行二次加固，支護(hù)材料的選擇尤為重要。為此，結(jié)合鉆孔注漿方案采取了預(yù)應(yīng)力錨和自應(yīng)力注。支護(hù)基本參數(shù)：Ф22×6000mm高強(qiáng)度螺旋肋結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼絞線；安裝孔徑Ф32mm；材質(zhì)強(qiáng)度1770MPa；索體破斷力400kN；樹(shù)脂錨固長(zhǎng)度1000mm；注漿壓力5MPa。加固后，破碎較軟圍巖形成一個(gè)共同的承載結(jié)構(gòu)，提高了整體強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)力錨注效果。同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

3 探討研究的內(nèi)容及成果

3.1 研究?jī)?nèi)容

（1）對(duì)煤礦同區(qū)域構(gòu)造區(qū)段內(nèi)頂板管控按照應(yīng)力分布與應(yīng)力水平定量測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合相鄰工作面礦壓測(cè)試數(shù)據(jù)，分區(qū)段進(jìn)行支護(hù)參數(shù)更改，并對(duì)比巷道變形量，確定今后巷道所要采取的支護(hù)參數(shù)。根據(jù)目前所開(kāi)采的煤層頂?shù)装寰唧w情況選擇3個(gè)有針對(duì)性的地點(diǎn)，分別進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試和評(píng)價(jià)分析，把構(gòu)造應(yīng)力分布作為巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)實(shí)際揭露的巷道地質(zhì)及圍巖3類巷道支護(hù)情況，以回采巷道為主，研究測(cè)試煤層頂?shù)装迕簬r體的力學(xué)特征，為今后巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。

（3）針對(duì)開(kāi)拓、準(zhǔn)備、回采巷道，各選取2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)三類巷道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行方案優(yōu)化。

（4）依據(jù)深井高地應(yīng)力構(gòu)造復(fù)雜礦井的巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合礦井實(shí)際情況（地應(yīng)力異常、圍巖破碎、構(gòu)造復(fù)雜），采取預(yù)應(yīng)力錨和自應(yīng)力注。

3.2 研究成果

（1）獲得了礦井開(kāi)采范圍內(nèi)不同區(qū)域構(gòu)造區(qū)段應(yīng)力分布和應(yīng)力水平規(guī)律，對(duì)比各類數(shù)據(jù)，確定同采區(qū)巷道支護(hù)方式及參數(shù)。

（2）確定了煤層的頂?shù)装鍘r石結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能在實(shí)際生產(chǎn)中可能存在制約生產(chǎn)的因素，為巷道支護(hù)提供基本依據(jù)。

（3）提供了開(kāi)拓、準(zhǔn)備、回采等三類巷道的合理支護(hù)方案。

（4）針對(duì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)段，試用預(yù)應(yīng)力錨注支護(hù)技術(shù)，礦井返修率降低至60%以上，采煤工作面超前支護(hù)區(qū)段巷道基本未發(fā)生變形。同時(shí)，獲得了礦井巷道及掘進(jìn)工作面圍巖松動(dòng)圈的范圍及變形破壞規(guī)律。

在巷道掘進(jìn)支護(hù)期間，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，根據(jù)支護(hù)方式及參數(shù)，不斷進(jìn)行嘗試改變支護(hù)材料，通過(guò)增加補(bǔ)打注漿錨索的支護(hù)方式，優(yōu)化適應(yīng)頂?shù)装濉蓭痛笞冃蔚腻^索盤改為錨梁聯(lián)合布置等方法,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與監(jiān)測(cè)應(yīng)用效果顯著，并能夠有效地控制復(fù)合頂板圍巖的變形破壞。通過(guò)與相鄰工作面對(duì)比，即滿足了礦井生產(chǎn)需求，又減少了后期的修復(fù)及資金投入，可作為相同類型礦井地質(zhì)構(gòu)造段巷道掘進(jìn)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)更改支護(hù)材料參數(shù)及配合注漿錨索，同時(shí)優(yōu)化適應(yīng)頂?shù)装?、兩幫大變形的錨索盤改為錨梁聯(lián)合布置，通過(guò)與相鄰工作面巷道變形對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與巷道變形控制效果顯著，能夠有效地控制復(fù)合頂板圍巖的變形破壞，是控制圍巖大變形的有效手段。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，即滿足了礦井生產(chǎn)需求，又減少了后期的修復(fù)及資金投入。自2014年以來(lái)，太岳煤礦在巷道施工過(guò)程中，不斷摸索、監(jiān)測(cè)、分析和研究巷道的支護(hù)參數(shù)，杜絕了各類頂板安全生產(chǎn)事故，實(shí)現(xiàn)了礦井生產(chǎn)安全。