深部動(dòng)壓巷道冒頂原因分析及支護(hù)對(duì)策研究

王彬宇

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

新景公司井田隸屬于山西省陽(yáng)泉市陽(yáng)煤集團(tuán)，位于陽(yáng)泉市區(qū)的西部，距離市中心大約11 km，井田的面積大約為64.747 km2。核定生產(chǎn)能力達(dá)5.0 Mt/a，服務(wù)年限為85a。目前主采3#、8#、15#煤，15#煤層為厚煤層，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。

新景礦15#煤回采巷道的圍巖控制一直是本礦的技術(shù)難題，傳統(tǒng)施工工藝是沿底板托頂煤掘進(jìn)施工，采用的支護(hù)形式是頂板全錨索+兩幫錨桿錨索支護(hù)。由于受埋深和應(yīng)力及回采期間周期來(lái)壓的影響，該類(lèi)型巷道經(jīng)常出現(xiàn)局部冒頂情況。為了解決這一難題，新景礦在傳統(tǒng)施工工藝上進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。巷道掘進(jìn)層位改為上層沿頂板掘進(jìn)，支護(hù)形式采用了高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)。雖然保證了掘進(jìn)期間的安全施工，但回采期間，受周期來(lái)壓的影響，還是出現(xiàn)了局部冒頂?shù)默F(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行分析，找出冒頂原因，并提出新的支護(hù)方案和建議，保證掘進(jìn)和回采工作的順利進(jìn)行，是勢(shì)在必行的工作。

1 巷道概況

15028綜放工作面煤層埋深平均460 m，開(kāi)采15#煤層，煤層厚度平均為6.66 m，煤層傾角平均為8°，直接頂為0.8～6.4m厚的泥巖，基本頂為5.4～13.96 m厚的K2石灰?guī)r。工作面位于一采區(qū)東南部，東為三礦礦界，西為15009工作面，北為80204工作面采空區(qū)，南為15029工作面。15028回風(fēng)巷沿15#煤直接頂掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面為5.2m×3.1 m。見(jiàn)圖1。

圖1 15028工作面平面布置

2 15028回風(fēng)巷支護(hù)方式

2.1 頂板支護(hù)

頂錨桿使用Φ20 mm×2400mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為940mm×800mm，每排6根，頂部錨桿垂直于巷道頂板（肩窩錨桿斜向幫部與垂直方向夾角為不大于15°），配套使用W形鋼托盤(pán)、減摩墊圈，W形托盤(pán)規(guī)格為140mm×250mm×10 mm，采用一支MSCK23/80樹(shù)脂錨固劑；頂錨索使用為Ф21.6 mm×6200mm，1770級(jí)低松弛鋼絞線(xiàn)，間排距為1880mm×1600mm，每排2根，配套使用鎖具、300 mm×300mm×16mm的碟形托盤(pán)、減摩墊圈、球形墊圈，錨索藥卷使用一支雙速M(fèi)SCK23/120樹(shù)脂錨固劑；頂板鋪設(shè)10#菱形金屬網(wǎng)和6眼W鋼帶，菱形金屬網(wǎng)規(guī)格長(zhǎng)×寬：5500mm×1000 mm；W鋼帶采用眼距為940mm的6眼BHW-940-220-4-5200 mm鋼帶（見(jiàn)圖2）。

圖2 15028回風(fēng)巷支護(hù)斷面

2.2 巷幫支護(hù)

巷道兩幫采用Φ20 mm×2400mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為850mm×800 mm，每排4根，錨桿垂直于幫部墻體，配套使用碟形托盤(pán)、減摩墊圈、球形墊圈，碟形托盤(pán)規(guī)格為150 mm×150 mm×10mm，中心孔徑大于錨桿直徑1.5～2.0 mm，采用一支MSZ23/80樹(shù)脂錨桿錨固劑；實(shí)體煤幫不打錨索，煤柱幫錨索使用Ф17.8 mm×5200 mm，間排距為1100mm×1600 mm，錨索與錨桿布置在不同排，每排2根，配套使用鎖具、300mm×300 mm×16mm的碟形托盤(pán)、減摩墊圈、球形墊圈，錨索藥卷使用一支雙速M(fèi)SCK23/120樹(shù)脂錨固劑；兩幫鋪設(shè)10#菱形金屬網(wǎng)和Ф12 mm圓鋼制作的鋼筋梯子梁，菱形金屬網(wǎng)規(guī)格長(zhǎng)×寬：3100 mm×1000 mm；幫錨桿豎向鋼筋梯子梁規(guī)格長(zhǎng)×寬：1950 mm×70mm，兩幫上部3根錨桿用梯子梁豎向連接，最下面一根錨桿用梯子梁橫向連接，橫向錨桿及錨索鋼筋梯子梁規(guī)格長(zhǎng)×寬：1850 mm×70 mm，每?jī)筛^索在沿巷道走向上用梯子梁橫向連接，梯子梁相互搭接（見(jiàn)圖2）。

錨索預(yù)緊力要求為300kN，錨桿錨固力為105 kN，錨桿扭力矩為300N·m。

3 15028回風(fēng)巷冒頂情況

3.1 巷道冒頂位置

15028工作面目前已回采80m，進(jìn)入80204工作面殘余支承應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)，回風(fēng)巷護(hù)巷煤柱寬度為20m，回風(fēng)巷冒頂區(qū)域距離15028工作面約150 m，巷道冒頂長(zhǎng)度14m，寬度3.5m，高度2.5 m，冒頂區(qū)域主要為直接頂，巖性為強(qiáng)度較小的泥巖。

3.2 巷道冒頂后整體狀態(tài)

15028回風(fēng)巷冒頂區(qū)域位于工作面前方約150 m，巷道冒頂長(zhǎng)度約為14m、寬度3.5 m，冒頂高度約為2.5 m，冒頂層位為直接頂（泥巖），頂板冒落后巷道近似“拱形”，最高冒頂位置大致位于巷道頂板中部，見(jiàn)圖3。

圖3 巷道冒頂后狀態(tài)

3.3 錨索破壞特征

回風(fēng)巷冒頂段錨索存在破斷現(xiàn)象，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)初步勘測(cè)，錨索破斷數(shù)約為8根，根據(jù)井下實(shí)拍照片顯示（見(jiàn)圖4），錨索破斷未發(fā)現(xiàn)齊口剪斷形式，均為鋼絞線(xiàn)“剝絲”拉斷，且7股鋼絞線(xiàn)斷裂位置存在差異，判定錨索破斷形式主要由于受力過(guò)大而被拉斷。

圖4 錨索破斷形式

3.4 錨桿及托板破壞特征

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查記錄情況分析（見(jiàn)圖5），15028工作面回風(fēng)巷冒頂段頂板錨桿破壞方式主要有以下3類(lèi)：

①錨桿拉斷：該種破壞方式的錨桿數(shù)量較少，現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)僅有1根錨桿存在拉斷現(xiàn)象，斷裂口直徑變細(xì)，斷裂平面粗糙。

②錨桿螺母穿托盤(pán)：此種破壞方式數(shù)量多于錨桿拉斷數(shù)量，具體表現(xiàn)為錨桿螺母仍存留在錨桿尾部，螺母穿過(guò)托盤(pán)后造成錨桿失效產(chǎn)生頂板冒落。

③錨桿螺母脫絲：現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)情況顯示，錨桿螺母脫絲現(xiàn)象十分嚴(yán)重，脫絲現(xiàn)象主要發(fā)生在螺母位置，冒落頂板趨于錨桿尾部車(chē)絲部位殘留螺母內(nèi)絲，此種破壞方式為冒頂段錨桿主要破壞形式。

現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)顯示，錨索碟形托盤(pán)未發(fā)現(xiàn)撕裂破壞現(xiàn)象，中部碟形鼓起完好。錨桿W型托盤(pán)變形破壞嚴(yán)重，變形后托盤(pán)中部碟形骨架基本上被壓平，托盤(pán)彎曲內(nèi)陷嚴(yán)重，同時(shí)，錨桿螺母存在不同程度的鉆托盤(pán)錨桿孔現(xiàn)象。冒落后托盤(pán)錨桿孔由圓形變?yōu)榉叫危卓谖恢每梢?jiàn)明顯的螺母六棱切口。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)使用的錨桿托盤(pán)厚度為8 mm。

圖5 錨桿及托板破壞形式

4 15028回風(fēng)巷冒頂原因分析

4.1 工作面前方堅(jiān)硬頂板斷裂產(chǎn)生動(dòng)態(tài)沖擊

15028工作面回風(fēng)巷冒落段處于80204采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力影響區(qū)域，回風(fēng)巷護(hù)巷保護(hù)煤柱為20 m，導(dǎo)致回風(fēng)巷恰好處于側(cè)向支承應(yīng)力峰值影響區(qū)，此外，冒落位置為一褶皺構(gòu)造向斜底部，為最大主應(yīng)力作用區(qū)域，加之，受15028工作面回采時(shí)超前支承應(yīng)力影響，導(dǎo)致冒頂區(qū)域應(yīng)力疊加程度極高，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。

同時(shí)，冒頂區(qū)域鄰近80204工作面開(kāi)切眼位置，為80204采場(chǎng)覆巖垮落不充分區(qū)域，15028工作面回采過(guò)程中，回風(fēng)巷在較高集中程度的支承應(yīng)力影響下發(fā)生再次破壞，產(chǎn)生動(dòng)載沖擊造成回風(fēng)巷錨索拉斷，為誘發(fā)此次冒頂事故的主因。

4.2 錨索支護(hù)密度較小，無(wú)法抵抗灰?guī)r斷裂后產(chǎn)生的沖擊載荷

15028工作面回風(fēng)巷冒頂段現(xiàn)場(chǎng)使用錨索排距1600 mm，每排2根，采用“202”布置方式。 巷道冒落前頂板變形量較小，冒頂為瞬間完成的動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程，確定錨索支護(hù)安全系數(shù)時(shí)除考慮到高靜壓影響外，應(yīng)充分考慮強(qiáng)動(dòng)載沖擊，增大錨索支護(hù)密度，抵抗消耗沖擊能量，減少覆巖堅(jiān)硬頂板破斷動(dòng)載沖擊時(shí)錨索被拉斷現(xiàn)象，避免冒頂事故的產(chǎn)生。

4.3 錨桿桿體及配件強(qiáng)度偏低且不匹配

15028工作面回風(fēng)巷冒頂段錨桿破壞方式主要以螺母穿托盤(pán)和螺母脫絲兩種現(xiàn)象為主，表明采購(gòu)錨桿配套托盤(pán)與螺母強(qiáng)度偏低，此外，設(shè)計(jì)錨桿托盤(pán)為10mm厚，現(xiàn)場(chǎng)采用托盤(pán)厚度僅為8 mm，導(dǎo)致托盤(pán)強(qiáng)度偏低，同時(shí)，托盤(pán)錨桿孔加工直徑較大，螺母直徑偏小，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法加工配套使用半球形墊圈，導(dǎo)致螺母貫穿托盤(pán)錨桿孔的現(xiàn)象產(chǎn)生。螺母強(qiáng)度低則造成螺母受動(dòng)載沖擊時(shí)易產(chǎn)生脫絲現(xiàn)象，脫絲后錨桿失效，加劇頂板冒落范圍。

5 對(duì)動(dòng)壓巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化及整改措施

5.1 加強(qiáng)直接頂（泥巖）賦存情況的勘查工作

由于此次冒落頂板為強(qiáng)度較低的泥巖直接頂，根據(jù)礦井綜合鉆孔柱狀圖顯示，直接頂為0.8～6.4 m厚的泥巖，后期支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)泥巖賦存狀況的調(diào)查，依據(jù)調(diào)查結(jié)果，針對(duì)性設(shè)計(jì)錨桿（索）錨固高度及支護(hù)參數(shù)。

5.2 優(yōu)化錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)

為有效抵抗和吸收采場(chǎng)堅(jiān)硬頂板破斷后釋放的動(dòng)載沖擊能，減少錨桿（索）破斷，避免冒頂事故的發(fā)生，后期支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)建議使用強(qiáng)度更高的BHRB500型號(hào)錨桿，將現(xiàn)使用寬度235mm的W型鋼帶更換為280 mm，配套使用碟形托盤(pán)、半球形墊圈、減摩墊圈和等強(qiáng)螺母。

在15028工作面回風(fēng)巷頂板采取錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，尤其是對(duì)變形下沉量較大位置，在工作面超前支承應(yīng)力影響區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)錨索補(bǔ)強(qiáng)與單體支護(hù)聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)，保持頂板穩(wěn)定性。

增加錨索支護(hù)密度，將現(xiàn)采用錨索“202”布置方式更換為“212”布置，局部變形嚴(yán)重區(qū)域或構(gòu)造區(qū)域應(yīng)及時(shí)增加錨桿（索）支護(hù)密度，提高支護(hù)強(qiáng)度。

在錨桿（索）托盤(pán)與螺母（鎖具）之間增加相應(yīng)強(qiáng)度的讓壓管（見(jiàn)圖6），保證錨桿（索）結(jié)構(gòu)在恒定高阻條件下產(chǎn)生穩(wěn)定變形，吸收?qǐng)?jiān)硬頂板斷裂釋放的動(dòng)態(tài)沖擊能和圍巖變形破壞能，保持支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定。

圖6 讓壓管及安裝方法

5.3 增加超前支護(hù)距離

由于回采巷道服務(wù)期間將受構(gòu)造應(yīng)力、上工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力及本工作面超前支承應(yīng)力的疊加影響，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)力集中程度較高，為有效保證頂板穩(wěn)定，避免冒頂事故發(fā)生，建議增加超前支護(hù)距離，將現(xiàn)有超前支護(hù)距離由100 m增加至200～300 m，具體距離根據(jù)巷道變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等情況確定。

6 結(jié)語(yǔ)

15028回風(fēng)巷冒頂?shù)闹饕蛴校褐ёo(hù)設(shè)計(jì)時(shí)未加強(qiáng)頂板巖性賦存狀況的調(diào)查，未具體分析巷道應(yīng)力情況；支護(hù)設(shè)計(jì)頂板錨索密度不夠；支護(hù)材料及配件強(qiáng)度低且匹配性不高；回采過(guò)程中未及時(shí)觀(guān)測(cè)壓力顯現(xiàn)情況并增加超前支護(hù)距離。針對(duì)以上原因，對(duì)動(dòng)壓巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、工藝等內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，有效地避免了回采期間堅(jiān)硬頂板破斷后釋放的動(dòng)載沖擊能造成的巷道冒頂現(xiàn)象。通過(guò)分析和優(yōu)化，對(duì)新景礦該類(lèi)型巷道的支護(hù)起到了指導(dǎo)性作用。