深部開采復合頂板巷道圍巖支護技術(shù)研究

摘要：為研究深部開采復合頂板巷道圍巖支護技術(shù)，以火燒鋪礦260303軌道巷為工程背景，分析復合頂板巷道破壞原因，提出深部開采復合頂板巷道圍巖支護技術(shù)方案。結(jié)果表明：通過優(yōu)化斷面形式聯(lián)合錨索-長短錨桿耦合支護的多級圍巖支護方案，可提高巷道斷面承載強度及錨桿索的聯(lián)合支護作用，現(xiàn)場監(jiān)測頂板下沉量僅為48 mm，兩幫移近量穩(wěn)定為34 mm，表明圍巖控制效果較好，能夠保證工作面安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：深部開采；復合頂板；巷道圍巖；支護技術(shù)；聯(lián)合支護

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.022

Research on Perimeter Rock Support Technology of Composite Roof Slab Roadway in Deep Mining

YANG Erlei

（Huoshaopu Mine， Guizhou Panjiang Refined Coal Company Limited， Liupanshui 553539， China）

Abstract： In order to study the perimeter rock support technology of deep mining composite roof roadway， taking the 260303 track roadway in Huoshaopu Mine as the engineering background， analyzing the reasons for the damage of composite roof roadway， and proposing the perimeter rock support technology scheme of deep mining composite roof roadway. The results show that： by optimizing the section form of joint anchor cable - long and short anchor coupling support multi-stage perimeter rock support program， can improve the section bearing strength and the joint support of anchor cable， field monitoring of the roof sinking amount is only 48 mm， the two gangs move in the amount of 34 mm， indicating that the effect of perimeter rock control is better， and can ensure the safety of the working face production.

Keywords： deep mining; composite roof plate; roadway perimeter rock; support technology; joint support

煤層受形成環(huán)境影響，深部煤層巖石特性與應力環(huán)境較淺部有較大差別，特別是在地質(zhì)條件更為復雜的深部區(qū)域，多存在復雜的復合頂板。頂板的各巖層之間巖性差異較大，受采動影響，其間連接關(guān)系變?nèi)?，極易發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，產(chǎn)生明顯離層甚至冒頂?shù)茸冃螢暮1]。針對復合頂板的支護問題，專家學者進行大量研究，提出采用“全斷面短錨索+鋼筋梁”、長短錨索耦合注漿、全斷面高預緊力錨索等多種支護方式，工程應用也取得一定成果。結(jié)合以往研究成果，以火燒鋪礦深部260303軌道巷為研究背景，采用理論分析、現(xiàn)場觀測等手段開展研究，提出一種適用于深部開采復合頂板巷道的圍巖支護技術(shù)，為實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)提供了科研指導[2]。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

260303軌道巷井下標高為1 574.3～1 501.8 m，平均埋深為488.5 m，工作面走向長為538.8 m，傾向長為148.5 m，煤厚度平均值為2.2 m，傾角為29°。頂板結(jié)構(gòu)復雜，偽頂為0.7 m薄層泥巖，直接頂為4 m粉砂巖，老頂為6 m粗、中砂巖，直接底為泥巖，厚度為1.3 m。巷道掘進揭露交叉小斷層F2、F3，巷道平面布置如圖1所示。

1.2 巷道原支護設(shè)計

260303軌道巷斷面寬為5 m、高為3 m，頂板支護采用12#鋼筋焊接，間排距為1 000 mm×1 000 mm，頂錨桿采用直徑為20 mm、長度為2 000 mm的左旋螺紋高強錨桿，頂網(wǎng)采用1.15 m×1.60 m鋼筋網(wǎng)，扭矩要求不低于280 N·m。兩幫錨桿采用“三、三”布置方式，間排距為1 050 mm×1 000 mm，采用直徑為20 mm、長度為2 000 mm的左旋螺紋高強錨桿，扭矩要求不低于280 N·m，如圖2所示。

2 深部復合頂板巷道破壞原因分析

巷道的復合頂板是由多種巖性的巖層通過弱黏結(jié)壓合組成的多層復合頂板，在開采過程中受采動影響，極易破壞復合頂板的穩(wěn)定狀態(tài)。通過現(xiàn)場調(diào)查，260303軌道巷發(fā)生變形破壞的主要原因如下。

一是巷道圍巖巖石性質(zhì)差，強度較低。260303軌道巷埋深為488.5 m，煤層自身節(jié)理、層理發(fā)育，煤層上方為薄層泥巖、粉砂巖等軟巖頂板，粗砂巖、中粒砂巖等硬質(zhì)頂板夾雜其中，形成多層軟硬互夾的復合頂板。該類型頂板膠普通頂板整體性剛度不足、協(xié)調(diào)性差，導致復合頂板整體強度較低[3]。

二是應力環(huán)境復雜，擠壓破壞現(xiàn)象明顯。煤層位于山區(qū)，受造山作用影響，260303軌道巷應力環(huán)境較為惡劣。受高應力影響，矩形巷道頂板極易發(fā)生下向彎曲，但復合頂板各層巖性大不相同，在受力過程中變形表現(xiàn)形式差別較大，軟弱巖層受擠壓發(fā)生彎曲變形甚至破碎，硬質(zhì)頂板抗擠壓能力強，不易變形。

三是巷道斷面形狀不適用于復合頂板。260303軌道巷采用矩形斷面，受開挖影響，巷幫煤體易發(fā)生較明顯的剪切破壞，導致在承壓過程中塑性區(qū)、松動圈范圍不斷擴大，實體煤幫對于頂板的支承作用明顯減弱，難以對復合頂板提供有效的支撐。

四是支護形式單一，支護力不足。受巷道斷面限制，原支護設(shè)計以高強螺紋鋼錨桿主動支護為主，設(shè)計時僅考慮巷道塑性變形范圍，發(fā)揮錨桿的組合梁作用，但對復合頂板深度、煤巷強度預計不足，支護形式單一，未有效發(fā)揮錨桿的支護作用，使巷道圍巖形成一個有效承載體，導致最終復合頂板發(fā)生彎曲下沉和離層破壞，圍巖主動支護控制效果不佳[4]。

3 深部復合頂板巷道圍巖控制技術(shù)

分析深部復合頂板巷道的破壞原因，針對260303軌道巷提出了優(yōu)化斷面形式聯(lián)合錨索-長短錨桿耦合支護的多級圍巖支護方案。

一方面，考慮采礦地質(zhì)環(huán)境、煤巖物理力學性質(zhì)、圍巖完整性等因素，將原設(shè)計矩形巷道優(yōu)化為半圓拱形巷道，以期改變巷道形狀，提高巷道斷面承載強度。優(yōu)化為半圓形巷道后，改善了直壁巷幫受采動影響易發(fā)生較明顯的剪切破壞的情況。取消受力不均的上隅角區(qū)域，將頂板由板狀改為半圓形，進一步增加巷道的穩(wěn)定性。

另一方面，針對復合頂板整體性剛度不足、協(xié)調(diào)性差的問題，提出了錨索-長錨桿耦合支護加固的頂板支護方案。利用錨索的懸吊與擠壓加固作用，將復合頂板與長距離的堅固覆巖結(jié)合起來，形成較為有效的壓縮應力拱，同時利用長錨索的擠壓加固與組合梁作用，形成巷道頂板壓縮梁，加強復合頂板各巖層間黏結(jié)力，提高協(xié)調(diào)性，進一步加強巖梁剛度。兩幫錨桿同樣采用“三、三”布置方式，但幫肩錨桿、幫腳錨桿與幫腰錨桿成一定夾角分布，充分發(fā)揮短錨桿的擠壓加固作用[5]。

支護方案為頂錨桿采用直徑為20 mm，長度為2 500 mm左旋螺紋高強錨桿，間排距為1 600 mm×1 000 mm，頂網(wǎng)采用1.15 m×1.60 m鋼筋網(wǎng)，扭矩要求不低于280 N·m，垂直頂板巖壁布置。頂錨索均采用直徑為19.8 mm，長度為6 300 mm鋼絞線錨索，間距為1 600 mm，排距為2 000 mm，扭矩要求不低于180 N·m，垂直頂板巖壁布置。幫錨桿“三、三”布置，間排距為800 mm×1 000 mm，采用直徑為20 mm、長度為2 000 mm的左旋螺紋高強錨桿，扭矩要求不低于200 N·m。優(yōu)化斷面形式聯(lián)合錨索-長短錨桿耦合支護具體布置方案如圖3所示[6]。

4 現(xiàn)場實施效果觀測

為進一步觀測260303軌道巷開展支護優(yōu)化后的效果，對施工后的巷道頂板和兩幫開展了長期變形監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示。通過監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂板下沉量僅為48 mm，兩幫移近量穩(wěn)定為34 mm。由此表明，使用優(yōu)化支護設(shè)計的巷道圍巖變形控制較好，能夠達到安全生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

分析260303軌道巷復合頂板破壞原因，主要包括4點：一是巷道圍巖巖石性質(zhì)差，強度較低；二是應力環(huán)境復雜，擠壓破壞現(xiàn)象明顯；三是巷道斷面形狀不適用于復合頂板；四是支護形式單一，支護力不足等。針對破壞原因，提出使用優(yōu)化斷面形式聯(lián)合錨索-長短錨桿耦合支護的多級圍巖支護方案控制260303軌道巷圍巖，通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證了該方案的可靠性。

參考文獻

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3 宋鵬飛.寺河煤礦復合頂板巷道支護技術(shù)研究與應用[J].山西能源學院學報，2024（1）：23-25.

4 董貴鵬，徐海蕓.西掌礦15103運輸配巷復合頂板支護優(yōu)化研究[J].煤，2023（11）：28-32.

5 高鳳偉.高應力軟巖復合頂板回采巷道全錨索支護技術(shù)研究[J].煤炭工程，2021（8）：56-60.

6 白 杰，劉愛卿.復合頂板強烈動壓巷道全錨索支護技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù)，2018（11）：

30-32.