煤礦井下頂板形變控制及支護(hù)技術(shù)研究

常 北

（山西晉煤集團(tuán)晉圣三溝鑫都煤業(yè)有限公司，山西 沁水 048200）

山西晉煤集團(tuán)晉圣三溝鑫都煤業(yè)有限公司位于沁水縣城西南，井田內(nèi)可采煤層為山西組的2 號(hào)煤層及太原組的15 號(hào)煤層，其中2 號(hào)煤層位于山西組中部，煤層平均厚度3.6 m，厚度變化較大，總體變化規(guī)律為由西向東逐漸變薄，其可采性指數(shù)為0.50，厚度變異系數(shù)為66.3%?？刹蓞^(qū)內(nèi)煤層平均厚度為3.32 m，屬中厚煤層，煤層穩(wěn)定性程度屬較穩(wěn)定大部可采煤層，含多個(gè)夾矸層，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。頂板主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，在頂板來(lái)壓波動(dòng)時(shí)下沉嚴(yán)重，偶有冒頂，給綜采作業(yè)安全造成了嚴(yán)重的影響。

針對(duì)上述情況，最初采用了多重支護(hù)的方案，在頂板脆弱區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)支護(hù)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，多重支護(hù)的方案工作量大，效率極低，嚴(yán)重影響了綜采作業(yè)效率。結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況提出了一種新的多層次頂板變形控制和支護(hù)技術(shù)，以錨桿和錨索為支護(hù)核心，通過(guò)布局優(yōu)化，在不增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上頂板下沉量降低了72.4%，兩幫移近量降低了76.1%。

1 巷道頂板變形原因分析

在對(duì)不同區(qū)域的變形因素分析并結(jié)合近年來(lái)頂板變形原因統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：一方面由于2 號(hào)煤層的頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，在巷道掘進(jìn)后會(huì)以較快的速度在自重的作用下下沉，同時(shí)由于緊鄰井下富水區(qū)域，巷道頂板裂隙內(nèi)富含水，在水的作用下頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)一步被破壞，降低了整體強(qiáng)度；另一方面，頂板發(fā)育軟弱夾矸層等多種類別的巖層結(jié)構(gòu)，支護(hù)方案主要采用的是單一全錨索支護(hù)[1]，會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域的錨索預(yù)應(yīng)力損失或者受剪切力破壞，預(yù)應(yīng)力損失到一定程度或者錨索破壞后將導(dǎo)致支護(hù)失穩(wěn)、冒頂、煤幫內(nèi)擠等，如圖1。

圖1 煤礦井下冒頂及煤幫內(nèi)擠結(jié)構(gòu)示意圖

2 頂板支護(hù)優(yōu)化

對(duì)巷道頂板的支護(hù)采用了錨、索、網(wǎng)聯(lián)合多層次支護(hù)[2]，重新對(duì)長(zhǎng)錨桿、長(zhǎng)錨索、短錨索規(guī)格進(jìn)行選擇和結(jié)構(gòu)布置。

為了與井下現(xiàn)有的支護(hù)方式基本保持一致，減少對(duì)支護(hù)物料的需求，采用了高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿，每排設(shè)置6 根，間排距1200 mm×1000 mm，錨桿的幫距為250 mm。錨桿布置時(shí)，兩側(cè)的錨桿與巷道兩側(cè)呈現(xiàn)10°的夾角，其他區(qū)域的錨桿均和巷道頂板相互垂直。采用樹脂加長(zhǎng)錨固的方式，預(yù)緊力不小于500 N·m。鋼筋托梁選擇直徑為15 mm 的螺紋鋼焊接而成，托梁規(guī)定為5100 mm×80 mm。為了保證托梁在受力情況下的穩(wěn)定性，在設(shè)置錨桿的地方焊接兩個(gè)加強(qiáng)筋及承力機(jī)構(gòu)。

長(zhǎng)錨索采用1×19 股的高強(qiáng)度鋼絞線。錨索布置時(shí)依據(jù)長(zhǎng)錨桿布置結(jié)構(gòu)，每排設(shè)置3 組錨索，錨索的間排距為2400 mm×1500 mm，錨索的幫距為1250 mm。錨索采用樹脂加長(zhǎng)錨固的方案，用三支錨固劑錨固，錨固的長(zhǎng)度不小于2000 mm，預(yù)緊力不小于300 kN。鋼筋托梁選擇直徑為15 mm 的螺紋鋼焊接而成，托梁規(guī)格為3100 mm×80 mm，在錨索的搭接處設(shè)置一個(gè)搭接縱筋，各個(gè)縱筋的距離約為120 mm。

短錨索同樣采用1×19 股的高強(qiáng)度鋼絞線。每排設(shè)置4 組錨索，間排距為2400 mm×1500 mm，錨索的幫距為450 mm。錨索采用樹脂加長(zhǎng)錨固的方案，用三支錨固劑進(jìn)行錨固，錨固深度不小于2000 mm，預(yù)緊力不小于300 kN。鋼筋托梁選擇直徑為15 mm 的螺紋鋼焊接而成，托梁規(guī)格為4600 mm×80 mm，在錨索的搭接處設(shè)置一個(gè)搭接縱筋，各個(gè)縱筋的距離約為120 mm。

鋼筋網(wǎng)片采用直徑為6 mm 的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔的尺寸為120 mm×120 mm，各個(gè)網(wǎng)片之間采用搭接的方案，搭接長(zhǎng)度不小于150 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2。

3 巷幫支護(hù)優(yōu)化

采用錨索、網(wǎng)聯(lián)合多層次支護(hù)方案對(duì)巷幫的支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

錨索選用1×19 股的高強(qiáng)度鋼絞線，在錨索的端部設(shè)置有攪拌機(jī)構(gòu)，在錨索末端設(shè)置有相應(yīng)的鎖具[3]。錨索按每排3 組的形式進(jìn)行布置，錨索之間的間排距為1200 mm×950 mm。鋼筋托梁采用直徑為12 mm 的鋼筋構(gòu)成，規(guī)格尺寸為4000 mm×80 mm，400 mm×400 mm×16 mm 的高強(qiáng)度托板，采用三支錨固劑樹脂加長(zhǎng)錨固的方案，錨固長(zhǎng)度不低于2000 mm，預(yù)緊力不小于200 kN。

錨桿選用高強(qiáng)度左旋螺紋鋼，錨桿布置在巷道頂、底角，每組2 根，錨桿之間排距為1200 mm，頂角錨桿距離頂板250 mm，底角錨桿距底板370 mm，10°偏角，錨固時(shí)采用兩支錨固劑的樹脂加長(zhǎng)錨固方案，緊固力矩不小于500 N·m。

鋼筋網(wǎng)片采用直徑為6 mm 的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔的尺寸為110 mm×110 mm，各個(gè)網(wǎng)片之間搭接長(zhǎng)度不小于150 m。兩幫支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖2 煤礦井下巷道頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 煤礦井下巷道兩幫支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

4 應(yīng)用效果分析

新的巷道頂板支護(hù)方案在應(yīng)用以來(lái)取得了極好的效果。在井下巷道內(nèi)設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)站，采用加密網(wǎng)格布點(diǎn)的方案對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用位移傳感器和多功能成像分析儀[4]對(duì)巷道頂板和兩幫的變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明在支護(hù)后的90 d 內(nèi)，巷道頂板的平均下沉量約為62.4 mm，比優(yōu)化前降低了72.4%，巷道兩幫的平均移近量約為147 mm，比優(yōu)化前降低了76.1%，顯著地提升了綜采作業(yè)安全性和綜采效率。優(yōu)化后井下頂板和兩幫的支護(hù)效果如圖4。

圖4 優(yōu)化后巷道頂板和兩幫支護(hù)效果圖

5 結(jié)論

針對(duì)鑫都煤業(yè)綜采工作面順槽頂板下沉嚴(yán)重的情況，在對(duì)頂板變形失穩(wěn)原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了多層次頂板變形控制和支護(hù)技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）巷道頂板結(jié)構(gòu)脆弱，在重力作用下的沉降以及巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用單一層次的全錨索支護(hù)無(wú)法滿足礦壓波動(dòng)下的支護(hù)穩(wěn)定性需求是導(dǎo)致頂板沉降失控的主要因素。

（2）對(duì)巷道頂板和兩幫的支護(hù)采用了錨、索、網(wǎng)聯(lián)合多層次支護(hù)方案，能夠?qū)㈨敯逑鲁亮拷档?2.4%，將兩幫移近量降低76.1%，顯著提升井下支護(hù)穩(wěn)定性。