煤巷頂板破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)探討

楊光

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 太原有限公司，山西 太原030006）

大柳煤礦由于所處地質(zhì)條件相對復(fù)雜，煤層的埋藏相對較淺，在開采過程中表現(xiàn)出了相對劇烈的礦壓作用，特別是在穿越一些風(fēng)氧化區(qū)域過程中，巷道頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞問題更加嚴(yán)重，掘進(jìn)作業(yè)時(shí)極易出現(xiàn)冒頂問題，經(jīng)常性的將掘進(jìn)機(jī)掩埋住，對于煤礦正常的運(yùn)輸作業(yè)以及通風(fēng)作業(yè)造成嚴(yán)重影響，還會(huì)威脅到作業(yè)人員的生命安全。而目前所采用的錨桿支護(hù)不能滿足支護(hù)要求，這主要是在支護(hù)過程中對巷道圍巖結(jié)構(gòu)松動(dòng)范圍無法確定，從而也不能確定錨桿支護(hù)作業(yè)是否可以真正發(fā)揮支護(hù)作用。因此，便要求我們應(yīng)當(dāng)針對大柳煤礦巷道頂板破壞機(jī)理進(jìn)行研究，根據(jù)巷道頂板的破壞機(jī)理，制定更為適宜的支護(hù)方案，確保煤礦開采中的安全性。

1 大柳煤礦概況

大柳煤礦現(xiàn)階段開采煤層主要為2#煤層，該煤層屬于結(jié)構(gòu)相對簡單的中厚煤層，煤層的厚度在1.3～2.8 m之間，平均厚度值為2.1 m，煤層傾角為2°。煤層的頂板結(jié)構(gòu)為泥巖以及砂質(zhì)泥巖，厚度約為2.2 m左右，煤層底板結(jié)構(gòu)為泥巖，屬于Ⅲ類軟弱底板結(jié)構(gòu)。

2024工作面運(yùn)輸順槽地層走向?yàn)镹S，傾向?yàn)镋W，傾角相對較為平緩，在2°以內(nèi)，上方覆巖厚度值為11～43 m之間，沒有斷層分布，在個(gè)別位置處存在沖刷帶。2024工作面運(yùn)輸順槽沿著2#煤層設(shè)置，巷道的偽頂結(jié)構(gòu)屬于砂質(zhì)泥巖，厚度約為0.3 m，呈現(xiàn)深灰顏色，內(nèi)含有植物化石。直接頂結(jié)構(gòu)屬于粗砂巖，厚度在1.7～2.9 m之間，同樣呈現(xiàn)深灰顏色，內(nèi)部含有植物化石。頂板結(jié)構(gòu)為泥巖，屬于Ⅲ類軟弱底板結(jié)構(gòu)。

2 2024工作面運(yùn)輸順槽巷道頂板破壞機(jī)理

造成2024工作面運(yùn)輸順槽頂板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞問題主要原因是受到了地層壓力效應(yīng)的作用，若是地層壓力值超出了頂板圍巖自身強(qiáng)度極限值之后，便會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，而若是頂板的形變量相對大，便會(huì)導(dǎo)致頂板結(jié)構(gòu)從塑性狀態(tài)而轉(zhuǎn)變成為破裂狀態(tài)，此時(shí)便會(huì)出現(xiàn)相對大形變壓力，頂板結(jié)構(gòu)便會(huì)出現(xiàn)較大的變形以及破壞，這一破壞過程體現(xiàn)出了極為明顯的地應(yīng)力效應(yīng)。尤其是在回采階段之內(nèi)，巷道極易出現(xiàn)頂板破壞問題，甚至?xí)霈F(xiàn)巷道失穩(wěn)問題。因?yàn)榇罅旱V回采巷道的斷面結(jié)構(gòu)為矩形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行開挖以后圍巖的應(yīng)力會(huì)重新進(jìn)行分布，便會(huì)導(dǎo)致頂端位置以及側(cè)幫位置處持續(xù)受松動(dòng)壓力的作用，尤其是在巷道通過破碎區(qū)域或者松散區(qū)域時(shí)，頂板結(jié)構(gòu)破壞問題極易發(fā)生。綜上可知，大柳煤礦運(yùn)輸順槽出現(xiàn)頂板破壞問題的主要原因便是上述兩種壓力作用而導(dǎo)致的，若是巷道支護(hù)作業(yè)不到位或者不夠及時(shí)，便極易出現(xiàn)頂板破壞的問題。

3 巷道支護(hù)參數(shù)的計(jì)算

2024工作面運(yùn)輸順槽的斷面結(jié)構(gòu)為矩形結(jié)構(gòu)，掘進(jìn)作業(yè)的寬度值為4.5 m，掘進(jìn)作業(yè)的高度值為2.4 m，巷道的橫截面積為10.8 m2。

3.1 巷道圍巖松動(dòng)圈的確定

由于巷道的總寬度值為B為4.5 m，則半跨度值a便為2.25 m，巷道的高度值為2.4 m。在計(jì)算巷道圍巖松動(dòng)圈的過程中，依據(jù)等效圓理論進(jìn)行計(jì)算，可以計(jì)算得出等效圓的半徑r大小為：

r=2.55 m

那么在為進(jìn)行支護(hù)處理情況下圍巖結(jié)構(gòu)松動(dòng)范圍R大小為：

式中：γ為煤層的上覆巖層平均容重，取25 kN/m3；h為煤層的埋深，取100 m，對應(yīng)的累計(jì)地應(yīng)力P大小為2.5 MPa。在未采取任何支護(hù)措施的情況下，彈性區(qū)各個(gè)參數(shù)值為：Pi為0，C為1.2 MPa，Φ為30°。

兩幫位置非彈性區(qū)域深度值變?yōu)閍1=2.68-2.25=0.43 m，頂板結(jié)構(gòu)的非彈性區(qū)域深度值a2=2.68-1.2=1.46 m，則便可以計(jì)算得到冒落拱高度值h0：

則松動(dòng)區(qū)域中錨桿承受巖體重量G為：

式中：γ代表的是頂板巖體容重大小，kN/m3；S代表的是松動(dòng)范圍之中巖體的截面積大小，m2；D代表的是錨桿的排距值，取1.1 m。

同時(shí)，考慮到動(dòng)壓的影響，取動(dòng)壓系數(shù)K為1.3，則能夠得到下列公式：

將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入至上式便能夠計(jì)算得到G為233.27 kN。

3.2 錨桿參數(shù)計(jì)算

在對頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)處理時(shí)，采用的錨桿結(jié)構(gòu)為螺旋紋鋼材料，每一根錨桿均采用型號(hào)為Z2340的樹脂錨固劑進(jìn)行錨固處理，在經(jīng)過現(xiàn)場的實(shí)測之后得出錨桿拉拔載荷值是50 kN，那么便可以得出單排錨桿應(yīng)當(dāng)設(shè)置的錨桿根數(shù)n：

因?yàn)閚必須為整數(shù)，為了確保支護(hù)作業(yè)能夠達(dá)到要求，在此錨桿的根數(shù)n取5，同時(shí)結(jié)合載荷承載力選用直徑為Φ16 mm的左旋螺紋錨桿。

依照懸吊計(jì)算方法，錨桿的長度值L為：

式中：L1為錨桿顯露于外面的長度值，取0.1 m；L2為頂板結(jié)構(gòu)非彈性區(qū)域的深度值，L2=a2=1.46 m；L3為錨固段的長度值，取0.6 m。

所以，可以計(jì)算得出L頂為2.16 m，實(shí)際支護(hù)中選取錨桿長度為2.2 m。具體支護(hù)參數(shù)見圖1。

圖1 錨桿支護(hù)參數(shù)

4 錨桿施工工藝

在實(shí)際的支護(hù)過程中，為了能夠確保錨桿支護(hù)作業(yè)能夠快速的完成，在保證施工安全性的基礎(chǔ)之上，充分的發(fā)揮錨網(wǎng)梁支護(hù)作用，要求要合理的安排施工的時(shí)間以及方式，確保不同支護(hù)工作能夠更加有效配合。依照巷道頂板形變情況以及現(xiàn)場錨桿的具體受力情況，強(qiáng)化監(jiān)測以及支護(hù)工作，避免圍巖出現(xiàn)不良變形問題，有效的對支護(hù)結(jié)構(gòu)加以保護(hù)，從而防止出現(xiàn)冒落問題。具體的施工工序?yàn)椋?/p>

（1）打眼作業(yè)。鉆孔作業(yè)中采用單體風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)設(shè)備，鉆桿采用中空六方鉆桿，鉆頭采用雙翼鉆頭。依照錨桿長度值以及露出部分長度合理的設(shè)置鉆孔深度，錨桿的鉆孔深度值應(yīng)當(dāng)為錨桿長度值減錨桿露出長度值。在鉆孔作業(yè)完成之后，要使用水或者是氣流將孔壁加以清理，確保鉆孔之中的殘?jiān)軌虮粡氐浊宄蓛簟?/p>

（2）安裝錨桿以及錨固劑。在下端部位使用專用的連接部件，與錨桿相互連接，等到藥卷全部的插入鉆孔底之后，進(jìn)行全速的旋轉(zhuǎn)攪拌15～20 s左右。在完成攪拌之后停1 min再將錨桿機(jī)收回。完成攪拌時(shí)應(yīng)當(dāng)確保錨桿露出長度值為0.1 m。

（3）鋪網(wǎng)施工以及掛梁施工。首先要掛金屬網(wǎng)，在架設(shè)托梁結(jié)構(gòu)，最后在安裝托板進(jìn)行固定作業(yè)。要利用力矩扳手將螺母擰緊，采用的力矩值為80 N·m左右。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

由于之前采用的錨桿支護(hù)方案是采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是對于一些風(fēng)氧化區(qū)域來說，巷道頂板有較大的安全隱患，在回采作業(yè)過程中極易出現(xiàn)形變以及破壞。支護(hù)方案之所以未能取得良好效果，主要是由于采用的錨桿長度較短，錨桿的尺寸為Φ16 mm×2000 mm，雖然錨桿設(shè)計(jì)密度較新支護(hù)方案中錨桿的密度要大，但是支護(hù)效果卻遠(yuǎn)沒有新支護(hù)方案支護(hù)效果好。之前采用的支護(hù)方案每一排之中設(shè)置有五根錨桿，而且錨桿的排間距為900 mm。而在新支護(hù)方案之中每一排之中也設(shè)置有5根錨桿，但是錨桿的排間距為1100 mm。依照這一數(shù)據(jù)來計(jì)算，則支護(hù)1 m的巷道便可以節(jié)約一根錨桿，節(jié)約費(fèi)用約為35.5元左右，具體費(fèi)用計(jì)算如表1所示。而且，由于錨桿的排距有所增加，則每支護(hù)10 m巷道還能夠節(jié)約1個(gè)鋼筋梯子，節(jié)約費(fèi)用約為25元左右。那么，若是支護(hù)1萬m的巷道則能夠節(jié)約的總成本為35.5+2.5=38萬元。另外，新支護(hù)工藝能夠有效的對頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，從而也減少了巷道返修等后續(xù)維護(hù)工作的資金投入，還能夠確保煤礦開采可以順利進(jìn)行，有效提升煤礦開采效率，其效益非常顯著。

表1 單根錨桿支護(hù)費(fèi)用

5.2 社會(huì)效益

此次所采用的新支護(hù)方案能夠更好達(dá)到巷道支護(hù)需求，在巷道掘進(jìn)施工值目前回采過程之中，均未出現(xiàn)頂板事故，確保了巷道運(yùn)行的安全性。而且新的支護(hù)工藝應(yīng)用之后，對于巷道運(yùn)輸以及通行環(huán)境也起到了顯著的改善作用，更加的利于煤礦開采，也能夠確保煤炭運(yùn)輸效率進(jìn)一步提升，確保煤礦安全生產(chǎn)的面貌得以有效改善，其社會(huì)效益同樣非常顯著。