挖金灣礦巷道頂板的破斷原因分析及控制方案研究

劉 江

（同煤集團挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

挖金灣煤業(yè)5133 綜采面所處地質(zhì)環(huán)境較為復雜，煤層厚度 5.81～13.26m，平均為 9.70m，可采性指數(shù)Km=1，煤厚變異系數(shù)γ=24.1%，為該區(qū)主要穩(wěn)定可采煤層。煤層結(jié)構(gòu)復雜，一般含夾石 2～5 層，局部多達 8 層。夾石單層厚度一般不大于0.40m，煤層頂板多為泥巖，局部為粉砂巖、細砂巖，底板多為泥巖，局部為中細砂巖，頂板穩(wěn)定性差，在實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)頂板的破斷、垮落，給綜采作業(yè)安全造成了極大的影響[1]。為了提升綜采作業(yè)的安全性，挖金灣煤業(yè)組織了安全改善小組，對5133綜采面巷道頂板破斷的原因進行了分析，提出了以巷內(nèi)加強支護為核心的改善方案，實際應用表明該加強支護方案具有結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)效率高、可靠性好的優(yōu)點，極大地提升了井下巷道頂板的穩(wěn)定性。

1 巷道頂板破斷現(xiàn)象及原因分析

5133 綜采作業(yè)面的運輸巷為矩形斷面，尺寸為5.2m×3.6m。巷道內(nèi)頂錨桿之間的排距為900mm，金屬網(wǎng)采用100mm×100mm，錨索直徑為17.6mm，長度為9.2m，設(shè)置時與巷道頂板相垂直；巷道兩幫各設(shè)置了四組螺紋鋼錨桿，金屬護網(wǎng)結(jié)構(gòu)同樣為100mm×100mm。在實際應用中，其頂板頻繁出現(xiàn)破斷下沉，最大的沉降量約為1200mm，表現(xiàn)為錨桿脫落、鋼索撕裂，特別是在井下綜采面回采震動或者礦壓的影響下，頂板破斷導致出現(xiàn)懸吊煤網(wǎng)兜現(xiàn)象[2]。同時頂板的破斷也會導致巷道兩側(cè)煤幫出現(xiàn)較大的垮落現(xiàn)象，造成巷道兩側(cè)錨桿脫落、煤幫外鼓等。5133 綜采作業(yè)面巷道頂板破斷現(xiàn)象如圖1 所示。

圖1 5133 綜采巷頂板破斷導致支護結(jié)構(gòu)變形示意圖

通過對煤礦井下綜采面地質(zhì)情況的分析，5133綜采面頂板的破斷主要可分為煤層破斷引起、夾矸層的變形引起以及二者綜合作用下產(chǎn)生的巷道頂板的破斷。經(jīng)綜合分析，對頂板破斷影響最大的因素包括巷道的寬度、底板巖層的結(jié)構(gòu)強度和頂板支護可靠性三個方面，其共同作用下導致煤層破斷、夾矸層變形，最終導致了煤礦井下巷道頂板的破斷。

2 頂板支護參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)5133 綜采面的實際情況，結(jié)合井下支護的安全性、經(jīng)濟性和支護效率，采用了錨桿支護+鋼筋網(wǎng)再配合錨索聯(lián)合支護的結(jié)構(gòu)。錨桿呈矩形方式排列，每一排設(shè)置六組直徑為20mm 的螺紋鋼錨桿，同時設(shè)置一組直徑為6.5mm、尺寸為5400mm×1000mm 的鋼筋網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)。各個錨桿在設(shè)置時必須壓茬處理，搭接長度不少于200mm。在錨桿和鋼筋網(wǎng)搭接的位置，每隔100mm 需要用鋼絲進行鎖緊，每股鎖緊鋼絲繩旋緊不得少于3 扣。

錨索支護時，采用和井下巷道頂板相互垂直的布置結(jié)構(gòu)。錨索支護同樣采用矩形布置方式，每一排設(shè)置3 根錨索，錨索之間的距離不小于3m。在支護時采用直徑為21.8mm 的錨索配合π 字型結(jié)構(gòu)的鋼梁進行加固[3]，各個錨索之間的距離設(shè)置為1500mm。

巷道非回采側(cè)的支護，選擇直徑為20mm 的螺紋鋼錨桿配合菱形金屬護網(wǎng)支護的方案。每排錨桿設(shè)置3 根，錨桿之間的距離為1100mm，設(shè)置到距離頂板300mm、距離底板700mm 的位置。錨桿設(shè)置位置必須進行壓茬處理。在錨桿和鋼筋網(wǎng)搭接的位置，每隔200mm 需要用鋼絲進行鎖緊，每股鎖緊鋼絲繩旋緊不得少于4 扣。

在巷道的回采側(cè)幫，采用直徑為27mm 的玻璃鋼錨桿配合雙層塑料護網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)。每排設(shè)置3 組錨桿，各個錨桿之間的距離為1100mm。5133 綜采面巷道支護結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 煤礦井巷道支護結(jié)構(gòu)示意圖

3 多支護結(jié)構(gòu)控制方案與應用效果

根據(jù)煤礦井下的實際地質(zhì)條件，為了確保5133綜采面巷道頂板的穩(wěn)固性，在巷道支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又提出了一種新的多支護結(jié)構(gòu)體聯(lián)合控制方案，應對復雜條件下的巷道支護。該聯(lián)合支護方案以巷道錨索支護為基礎(chǔ)，形成了以高預應力錨桿支護、單體錨索—桁架錨索與短錨索相互配合的強化支護方案。該多支護結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

圖3 煤礦井下多支護結(jié)構(gòu)體控制體系示意圖

通過對挖金灣煤礦井下5133 綜采面頂板破斷原因的分析，針對性地制定了頂板控制方案，通過對巷道支護方式優(yōu)化，配合多支護體結(jié)構(gòu)控制方案，實現(xiàn)了對復雜地質(zhì)條件下頂板支護的有效控制。在挖金灣煤礦的實際應用表明，該支護方案具有支護效率高、經(jīng)濟性好、材料消耗少的優(yōu)點，能夠極大地提升井下支護作業(yè)效率和支護穩(wěn)定性。自2018年支護完成后，經(jīng)過一年的跟蹤測量，巷道內(nèi)未見有新的頂板破斷、分層現(xiàn)象，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性。優(yōu)化后的井下支護情況如圖4 所示。

圖4 5133 綜采面支護結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

為了提升挖金灣煤礦井下5133 綜采面巷道頂板穩(wěn)定性，提升煤礦井下綜采作業(yè)安全性和效率，項目組對井下巷道破斷現(xiàn)象和原因進行了分析，根據(jù)分析結(jié)果針對性地制定了巷道支護、多支護結(jié)構(gòu)體控制方案，實際應用表明：

（1）對頂板破斷影響最大的因素包括巷道的寬度、底板巖層的結(jié)構(gòu)強度和頂板支護可靠性三個方面，其共同作用下導致煤層破斷、夾矸層變形，最終導致了煤礦井下巷道頂板的破斷。

（2）多支護結(jié)構(gòu)體聯(lián)合控制方案，以巷道錨索支護為基礎(chǔ)，形成了以高預應力錨桿支護、單體錨索—桁架錨索與短錨索相互配合的強化支護體系，能夠極大地提升煤礦井下巷道頂板支護的穩(wěn)定性。

（3）支護方案具有支護效率高、經(jīng)濟性好、材料消耗少的優(yōu)點，能夠極大地提升井下支護作業(yè)效率和支護穩(wěn)定性。