松软破碎顶板巷道支护技术的应用探究

何生武（神华宁煤集团石炭井焦煤分公司生产科,宁夏 石嘴山 753300）

松软破碎顶板巷道支护技术的应用探究

何生武
（神华宁煤集团石炭井焦煤分公司生产科,宁夏 石嘴山 753300）

随着煤矿的开采规模与强度逐渐提升，矿井的开采正在不断向深层地表发展。巷道的开挖越深，地质条件就越复杂，施工难度也会越大，此时就应该考虑巷道的支护结构及其相关技术，保证支护结构可以支持深层巷道作业，不会发生变形开裂，达到长效使用寿命周期的目的。为了保证煤矿深井作业的安全高产，文章基于松软破碎顶板条件下巷道极易出现的片帮、冒顶等现象展开论述，探讨了焦煤分公司开采的三层煤松软破碎顶板巷道支护技术难题的解决方案。

松软破碎顶板；煤矿巷道；围岩；支护监测；支护参数

0 引言

焦煤分公司开采的三层煤，属于石炭纪、二叠系煤层。它的煤层是典型的不稳定煤层，其煤层上部的直接顶板厚度约2.5～4m，是松软破碎的炭质泥岩体系。它的节理及层理裂隙属于极其发育状态，所以整体岩层的固结性不强，而且煤层赋存区域有明显的内断层发育。基于上述情况，三层煤巷道顶板容易出现冒顶或破碎现象。换言之，如果在对巷道进行深层掘进作业时，可能出现巷道顶板泥岩冒落、风化破碎等情况，这就为三层煤巷道的维护带来了诸多问题。对其巷道进行顶板支护技术保护可以解决上述问题，并有利于煤矿开采，提升矿区经济效益。

1 对三层煤赋存特征的力学特性考量

1.1 煤层赋存特征及地质分析

在进行巷道支护之前，要对三层煤煤层赋存特征进行检测，了解其地质特性。根据之前巷道挖掘钻孔的资料显示，三层煤的赋存特性较为稳定且结构简单，在节理和层理方面发育较为成熟。整体煤层自南至北有厚度为0.18m的夹矸，其倾斜角度在0～2°左右。在煤层的上层顶部为炭质泥岩体系，它的节理裂隙在发育方面呈现松软特性，极易破碎，而且平均厚度仅为2.4m，炭质泥岩上层还有薄煤及粉砂岩覆盖，粉砂岩互层特性坚硬但性脆。

1.2 力学测试

从三层煤的顶底板岩层、煤层顶底板岩层和煤层取煤、岩石样本，主要根据掏芯法进行样本选取。每个样本的规格在200mm x 200mm x100mm，保证所取得样本不存在明显裂隙并能清晰的辨别它们的层位，然后进行煤、岩样的物理力学特性测试。具体测试及计算方法如下：

首先对岩样进行单轴抗压强度测定，它的主要测试方法包括了蜡封法和称重法，这里选择称重法对其进行计算：

在公式中g表示岩样的密度，m表示岩样的质量，而v则表示其体积。岩样单轴抗压强度的测定要在压力试验机上完成。根据岩石的力学实验标准，将岩样和煤样加工成为100mm x 100mm x 100mm的正方体，然后按照ISRM试验标准来进行。在试验过程中，利用模拟垂直压力来模拟煤层中现实的理面垂直压力，其垂直压力系数与破坏压力值都从压力试验机上取得。经过测试取得X煤层中岩层和顶底板物理力学的各项参数如表1。

表1 三煤层顶底板物理力学各项参数表

根据上述参数确定三层煤巷道岩层的岩体体积节理数在＜3时，它的岩体完整性指数应该＞0.75，巷道围岩属于典型的破碎型结构，所以它的顶板属于破碎型顶板[1]。

2 松软破碎围岩的巷道支护原则分析

在对三层煤巷道支护前要确定不同围岩条件以及其不同的力学环境条件，然后才能确定围岩控制和巷道支护的基本原则，保证围岩处于稳定状态。如果发现破碎围岩巷道存在围岩松动变形等现象，要及时对其进行控制，并确定这些松动围岩的承载能力大小，确保它们仍然拥有一定的支护能力，并不能小于松动荷载，这里称之为“松动性的稳定状态”。所以支护工程也要遵从围岩周围的松动性稳定状态来设计支护原则。

另一方面，有必要采取及时支护的原则，因为松软破碎顶板极易发生失稳现象，这是由于其初期支护时刚度不足所造成的。所以支架围岩所形成的平衡状态可能因为上述原因出现较大的变形，如果变形超出了稳定状态所允许的最大变形量范围，就可能出现失稳坍塌等情况。所以支护工作一定要及时完成，保证围岩支护在初期具有一定的预应力，及早控制围岩发生变形，维护围岩正在逐步丧失的承载能力。

3 三层煤巷道的锚固支护设计分析

根据上文的支护原则，对三煤层全巷道进行了松软破碎顶板的锚固支护设计。考虑到该矿井的综采工作巷道断面属于矩形结构，断面尺寸在4.2m x 2.5m，而掘进面积也有11m2，所以整个巷道的支护方案采用了预应力锚杆配合金属网、钢带及锚索补强的整体支护方式。

3.1 顶板支护分析

支护工程中所采取的锚杆杆体为高强度的左螺旋纹钢筋，它的规格为20mmx2200mm，而且杆尾有螺纹M22设计，并配合了金属拱形的高强度托板结构和万向球，它的规格为100x100x10mm。考虑到前期要提升支护强度，所以锚杆间距排列紧密，约为500mm，排距控制在900～1000mm之间，每排设计6根锚杆，两个肩角的锚杆与支护垂线间保证20°左右的外斜布置距离。锚杆的锚固力也要适当加大，约为200kN，而预紧力控制在50～80kN范围内。另一方面，三层煤巷道的锚索长度设置为7000mm，所采用的是15.30mm级的低松弛预应力钢绞线，并以“212”式进行布置，间距保持在1300mm左右，锚固力设计为300kN。

3.2 巷道巷帮支护分析

巷帮的支护方案主要采取了锚杆配合网支护的形式。其中锚杆的杆体为普通的金属锚杆，而巷帮的锚杆长度为1500mm左右。另外采用了拱形的高强度托板，其规格为130x130x20mm，主要是三排五花式的布置结构，其排距保持在600m左右，锚固力约为70kN，预紧力则为40kN，为了进一步加强锚固稳定水平，采用了一只树脂锚固剂。在巷道的两帮则用到了不同材质的两种护帮网，其中右边护帮网为尼龙网片，它的规格是10000mmx2000mm，而左边护帮网则采用了金属菱形网，其规格为4500mmx2200mm。全巷道全部采用掘进机进行掘巷，并且依靠液压来完成支护工序。因为巷道完全按照设计尺寸展开施工，所以支护工程质量有保证[2]。

3.3 支护质量的监测分析

支护质量监测主要分为两个方面，其一是巷道表面位移的监测。这方面监测采用到了基于巷道表面位移的十字布点法进行观测。它的观测方法是在巷道方向每隔50m就布置1个观测点。如果围岩条件良好，可以扩大距离在每100m处设计1个测点。巷道表面的位移曲线如图1。

图1 三层煤巷道顶底板移近过程中的观测点变化情况曲线

图2 三层煤巷道顶板离层移近过程中的观测点变化情况曲线

从图1的曲线数据观测情况来看，巷道顶底板的最大移近量可以达到70mm左右，这种情况会在一周后实现基本稳定的状态。所以这也说明此次巷道预应力锚杆的设计方式对巷道支护起到了较好的作用，基本控制了巷道表面在前期不会发生变形现象。同时，也对顶板的离层进行了监测。该监测部分所采用的是顶板离层指示仪。同样在巷道每50m设置1个观测点，并将测点用的离层仪安装于巷道的顶板中线位置，而深基点则固定在锚索上方较为稳定的岩层以内，其固定距离约为250m。如图2所示，支护工程后14天左右，顶板离层会处于相对稳定状态，稳定状态下其最大的顶板离层值将达到14mm，这就表示在预应力锚杆方案的支护辅助下，巷道顶板可以处于稳定状态。

4 总结

在此次对三层煤巷道进行围岩支护工程中发现，其巷道的表面位移量其实并不大，但是存在前期的巷道围岩变形情况，需要及早进行支护防范。此次支护从本质上改善了三层煤巷道内的围岩力学状态，而且深层开采作业的安全强度也大幅度提升，同时也提升了巷道掘进速度。而在采用了预应力锚杆配合金属网的支护方法后，巷道的维护费用也大幅降低25%，它极大程度的缓解了目前深层巷道开采作业采掘接替成本消耗紧张的难题。

[1]丁国利.破碎顶板条件下回采巷道围岩破坏机理及锚注支护技术研究[D].太原理工大学,2014:32-40.

[2]杨平.极破碎顶板条件下锚网锚索联合支护技术[J].煤炭技术,2009,28(07):93-94.

何生武(1970-)，男,宁夏中宁人，本科，助理工程师，研究方向：巷道支护。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.237