坚硬顶板煤巷合理支护方式探讨

李云

（山西长治经坊庄子河煤业有限公司，山西 长治 047100）

山西长治经坊庄子河煤业有限公司位于国家规划矿区沁水煤田长治矿区东南区[1]，现阶段主采15#煤层，现有回风大巷的支护方式主要按照采矿工程设计手册进行理论分析[2]，同时结合相邻矿井开拓巷道支护方式进行工程类比的方法进行设计，根据初步设计提供的开拓巷道支护方案进行支护，没有及时结合本矿井的工程实际及时修改巷道支护参数。

根据山西长治经坊庄子河煤矿在掘进15#煤层开拓巷道时实际揭露其直接顶为石灰岩，同时依据长治矿区其它煤矿 15#煤石灰岩坚硬顶板时的开拓巷道支护经验[3]，通过对山西长治经坊庄子河煤矿15#煤层顶板进行详细的岩石力学参数测试工作，及现场窥视确定15#煤层顶板岩层裂隙分布，为经坊庄子河煤业15#煤层开拓巷道支护参数优化提供所需的基础参数，实现合理的支护参数设计，保证山西长治经坊庄子河煤矿开拓巷道高效、安全使用，同时有效降低支护成本，提高掘进工作现场施工进度[4]。

焦积润等[5]学者通过工程类比的方法，从经济合理性与工程施工进度等方面出发，针对华阳煤业厚石灰岩顶板下15#煤层轨道大巷支护方式进行了优化设计。常江阳[6]等学者利用理论分析、数值模拟的方法，分析了厚坚硬顶板条件下大断面巷道围岩破坏情况与应力分布，优化了关岭山煤业15#煤层回风大巷的最优支护方案和支护参数。

很多学者对坚硬顶板下的开拓巷道合理支护问题进行了研究[7]，但对于现场巷道围岩破坏情况及裂隙发育研究甚少，从巷道围岩本身破坏情况出发的巷道支护优化研究几乎没有。本文通过现场调研、现场窥视及工程类比的研究方法对坚硬顶板下经坊庄子河煤业有限公司15#煤层回风大巷支护方式与支护参数进行研究。

1 工程概况

山西长治经坊庄子河煤业有限公司位于山西省长治市，主可采煤层为15#煤层，位于太原组下部，直接顶为K2石灰岩，底板为砂质泥岩或泥岩。15#煤层平均厚度3.60 m，一般含0～1层夹矸，局部含2～3层夹矸，煤层结构较简单，全区稳定可采。

井田受区域构造影响，总体上是以宽缓的褶曲为主，在此基础上发育了次一级的褶曲和小断裂，伴有少量陷落柱，未发现岩浆岩侵入。构造属简单类。

15#煤层回风大巷设计为矩形断面，宽度为5.8 m，高度为4.3 m，顶板石灰岩厚度稳定，完整性好，岩性坚硬，是一层稳定的岩层，是阻止上覆地层压力下传的关键岩层。

2 围岩稳定性确定

查阅相关资料，确定利用WQCZ-56型钻孔触探仪，在回风井附近，布置4个测站，对15#煤层回风大巷围岩进行原位岩石力学强度测试。观测巷道采用CXK-12型矿用钻孔成像仪对进行围岩破坏范围与裂隙发育程度进行观测。在测量时，应选取远离构造带的区域，尽量避开巷道群，具有良好的通风、供水、供电、运输条件以及巷道几何参数满足打钻要求的巷道。测站位置见图1。

图1 回风井井底1至4号窥视孔布置

2.1 围岩强度确定

对经坊庄子河15#煤层回风大巷围岩力学测定，并进行测量数据整理，可得到其围岩力学参数如表1所示。

汇总四个测站巷道围岩钻孔成像资料，图2（a）、（b）为1号窥视孔窥视截图，在巷道顶板上方6.323 m处存在破碎夹层，7.144 m处存在较大裂隙；图2（c）、（d）为2号窥视孔窥视截图，在巷道顶板上方4.045 m处存在横向裂隙，6.659 m处存在倾斜裂隙；图2（e）、（f）为3号窥视孔窥视截图，在巷道顶板上方5.562 m处存在倾斜裂隙，6.960 m处存在倾斜裂隙；图2（g）、（h）为4号窥视孔窥视截图，在巷道顶板上方3.122 m处存在竖向裂隙，6.089 m处存在较大竖向裂隙。

通过钻孔窥视影像分析可知，15#煤层回风大巷巷道直接顶为4.04～6.91 m的K2石灰岩。本层石灰岩厚度变化不大，岩层有较强的完整性，岩层岩石力学参数稳定且比较坚硬，岩层原位抗压强度达到了63.2 MPa，抗拉强度为3.41 MPa，空隙率仅为2.27%，综合判断为不易软化性岩石，是一层稳定的岩层，是阻止上覆地层压力下传的关键岩层；K2石灰岩之上为灰黑色泥岩或砂质泥岩，岩层赋存为层状，砂状泥质结构，并随着孔深增大含砂质颗粒增加，局部变化为粉砂岩。厚度变化起伏不大，一般为0.824 m。自然抗压强度为22.1 MPa，抗拉强度为2.92 MPa。通过钻孔窥视影像分析，这层岩层出现较多的裂隙、节理、离层带和破碎带，说明受矿压影响较大，自身残余强度较低，由于其下岩层为厚度较大的致密K2石灰岩，该石灰岩强度大，稳定性完整好，能够有效控制这层破碎带。泥岩之上为灰色-灰白色砂岩，主要由粉砂岩、细砂岩和中砂岩组成，砂质颗粒结构，厚度稳定，完整性好，岩性坚硬，抗压强度为60 MPa。

2.3 15#煤层回风大巷锚杆支护原则

根据前面的分析以及15#煤层回风大巷实际条件，确定巷道顶板支护应采用弹塑性稳定状态的原则，巷道两帮支护应采用松动性稳定状态的原则。其具体锚杆支护原则如下：

（1）顶板锚杆支护原则：根据顶板岩性特征，采用组合梁理论和挤压加固理论相结合的方法，确定合理的支护方案。利用锚杆、金属网、喷射混凝土联合支护的形式，使巷道围岩形成组合梁结构结构，增强顶板承载能力，保障围岩稳定。

（2）两帮锚杆支护原则：根据两帮围岩较为破碎的实际情况，两帮的锚杆支护采用挤压加固理论和整体锚固理论相结合的方法。利用锚杆、金属网、喷射混凝土联合支护的形式，使两帮围岩形成整体结构，减小两帮变形，防止出现片帮等安全事故。

图2 钻孔窥视成像截图

2.4 15#煤层回风大巷巷道支护参数确定

根据前面的分析结果，应当充分利用经坊庄子河煤业15#煤层回风大巷巷道顶板赋存的厚层坚硬石灰岩岩层，通过锚杆、金属网、喷射混凝土联合支护的形式，确保顶板岩层处于稳定状态，同时强化表面整体支护手段。确定支护参数为：

顶板支护：采用Φ20mm×2000mm的M22螺纹钢锚杆，间排距为顶1000mm×1000mm，每排布置6根，两侧锚杆向两帮倾斜10°，其余垂直顶板布置，无锚索，采用Φ6钢筋焊接网，网片尺寸为5.8 m×1.1 m，喷射强度为C20的混凝土，喷射混凝土厚度为150mm。

两帮支护：采用Φ20mm×2000mm的M22螺纹钢锚杆，间排距为顶900mm×1000mm，每帮每排布置5根，顶部锚杆距离顶板300mm，向顶板倾斜10°，底部锚杆距离底板400mm，向底板倾斜10°，其余垂直巷帮布置，采用Φ6钢筋焊接网，网片尺寸为4.2 m×1.1 m，喷射强度为C20的混凝土，喷射混凝土厚度为150mm。

巷道支护断面见图3。

图3 巷道支护方案

3 结语

根据经坊庄子河煤业实际地质情况，利用现场观测和理论分析的方法，对其回风大巷围岩控制进行分析研究，得到以下结论：

1）通过钻孔窥视影像分析可知，15#煤层回风大巷巷道直接顶为4.04～6.91 m的K2石灰岩，岩层有较强的完整性，岩层岩石力学参数稳定且比较坚硬，岩层原位抗压强度达到了63.2 MPa，抗拉强度为3.41 MPa，综合判断为不易软化性岩石，是一层稳定的岩层，是阻止上覆地层压力下传的关键岩层

2）充分利用15#煤层上覆坚硬顶板高强度及稳定性，给出合理的支护参数为：锚杆Φ20mm×2000mm的螺纹钢锚杆，间排距为顶900mm×1000mm，无锚索，喷射混凝土强度为C20，喷射混凝土厚度为150mm。

〔1〕黄岑丽.潞安矿区煤炭开采对地质环境影响的研究[D].中国矿业大学（北京），2013.

〔2〕任春星.耿村矿失稳巷道耦合加固技术研究[J].中州煤炭，2016（7）：85-88+124.

〔3〕鞠文君，付玉凯.我国煤矿巷道支护的难题与对策[J].煤矿开采，2015，20（6）：1-5.

〔4〕李占彪.大断面永久硐室支护技术研究[J].陕西煤炭，2015，34（4）：37-39.

〔5〕焦积润，赵 雷.华阳煤业开拓巷道支护实例研究与分析[J].山东煤炭科技，2016（3）：38-39.

〔6〕常江阳，张东峰.坚硬顶板大断面巷道的破坏机理及合理支护研究[J].煤炭技术，2014，33（7）：109-112.

〔7〕刘 三，查文华，张 亮，等.坚硬顶板下巷道支护参数优化分析[J].煤炭技术，2017，36（1）：84-85.