近距离煤层坚硬顶板巷道围岩支护技术实践

赵耀荣

（西山煤电集团有限责任公司马兰矿， 山西 古交 030200）

我国煤炭资源赋存情况整体埋藏较深，井工开采是当前的主要开采方式，然而，根据相关统计数据显示，我国现行开采的煤矿中赋存有坚硬顶板的煤层占比约30%左右，严重制约着煤矿的高效安全开采[1，2]。西山煤电集团有限责任公司马兰矿（以下简称马兰矿）可采煤炭资源有3 号、9 号、13 号煤层，3号、9 号煤层已开采完毕，正在向13 号煤层延伸开采，13 号煤层的直接顶为K1 灰岩（含有方解石），属于典型的坚硬性顶板，且该矿原有的锚杆支护技术存在锚杆预紧力不够大、杆体强度较低、配套构件与强度匹配性不佳的现场应用缺陷，直接影响到巷道支护效果。因此，研究、运用低成本、高效、稳定的巷道围岩支护技术对坚硬顶板煤层的开采具有重大意义。

1 工程概况

马兰矿位于山西省古交市西南15 km，矿区南北长约5.9 km，东西宽约6.3 km，矿井面积约32.8 km2，矿井设计生产能力400 万t。矿井煤层赋存稳定，煤层厚度2.8～3.5 m，平均厚度3.2 m，煤层倾角12°～23°，平均倾角17.5°。13 号煤152306 工作面的倾斜长度为180 m，推进长度为1 300 m，东部为保护煤柱，北部为132307 工作面（已采），西部为13 号煤二盘区回风巷、胶带巷、轨道巷，南部为132305 工作面，见图1。工作面中部有多个向背斜，煤层起伏较大，煤层倾角平均3.5°，局部倾角达10°左右，瓦斯绝对涌出量为1～4 m3/min，采用综合机械化一次性采全高的方式进行回采，平均采高2.2 m。工作面布置图如图1 所示。

2 围岩力学性质测试与分析

图1 152306 工作面布置（m）

为详细了解巷道周围岩体的地质力学性质，在运用钻孔窥视技术对围岩结构及顶板岩性进行探测分析的基础上，运用水力压裂法进行围岩应力计算分析，得出：

1）13 号煤顶板岩层为以较致密的石灰岩为主，厚度分布不均匀，强度普遍较大，在顶板10 m 的范围内强度值平均能够达到105.35 MPa。

2）13 号煤顶部存在大量裂隙、煤线和泥岩夹层、炭质和石英质结晶体，局部还有较为明显的空洞区，削弱了顶板的整体强度，增加了开采过程中发生顶板离层的风险。

3）13 号煤的最大水平应力大小范围为7.11～9.45 MPa，垂直主应力大小范围为4.20～6.31 MPa，应力较低，总体上呈现最大水平主应力＞垂直主应力＞最小水平主应力的分布规律，以构造应力为主，需通过加强巷道顶板的整体支护强度改变岩体内破碎区、塑性区范围内的力学性质，提升其屈服后的强度，进而提高其顶板岩层的自身承载能力。

3 巷道支护技术

大量的工程实践证明，锚杆支护赋予巷道围岩主动力，在井工煤矿巷道支护中得到广泛应用，具有良好的经济性、实用性和安全性。但在工程实施过程中，因煤层赋存条件、开采工艺的差异性，致使支护形式、支护参数的选择成为巷道支护的关键核心所在：支护强度过高，既会造成支护原料的浪费，也降低了开掘的效率；支护强度过低，不能有效控制围岩变形，易发生冒顶，酿成安全生产事故。根据现场实测结果，结合数学分析，进而选择合适的支护形式、支护参数的方法已经得到业界的广泛认可和大范围应用[3，4]。

3.1 锚杆参数理论分析计算[4-5]

3.1.1 巷道断面尺寸

综合考虑施工中机械设备的体积大小，通风风量大小以及巷道围岩变形预留量，最终确定152306巷道掘进断面参数：宽4.7 m，高3 m，断面面积为14.1 m2。

3.1.2 锚杆长度

考虑受到煤层内裂隙的影响13 号煤层的普氏硬度系数fm取值为1.25，内摩擦角为θm=tan-1fm=51.23°

不稳定岩层高度：

式中：b1为1/2 巷道跨距，m；h0为巷道净高，m；fd为加权普氏系数，取2。

采用悬吊理论对参数进行计算确定，在计算锚杆的有效长度时，首先应该计算出自然平衡拱的拱高值，用等式表示为l2=h。

根据式（2），确定锚杆的长度不小于2.1 m。

式中：l为锚杆长度；l1为锚固长度，≥0.3 m；l2为锚杆有效长度，采用悬吊理论对锚杆参数进行计算时，取l2=h；l3为锚杆外露长度，取0.1 m。

3.2 支护方式

根据锚杆群对围岩的作用机理，为了在巷道围岩中形成一定厚度的压缩拱，需要充分发挥锚杆的组合和加固性能，因此，巷道支护方案通过锚杆+钢带+锚索补强的联合支护方法对巷道进行支护。

3.2.1 顶板支护

1）顶锚杆。锚杆形式和规格：型号为Φ20-M22-2400，锚索体材料选用高强度的左旋式螺纹钢，直径为Φ20 mm，其长度为2.4 m。锚固方式：使用两支锚固剂进行锚固，钻孔直径为28 mm，锚固长度为1.3 m。锚杆布置方式：每排共布置4 根锚杆，锚杆的间、排距均设置为1 200 mm。离侧帮较近的一根顶锚杆距巷帮距离为550 mm。在顶板有明显离层和裂隙的地段进行加密支护，每排5 根锚杆，锚杆排距1 200 mm，间距1 000 mm。离侧帮比较近的一根顶锚杆距巷帮350 mm。顶锚杆预紧力矩：大于300 N·m，小于500 N·m。锚杆锚固力：100 kN。托盘：使用拱型的高强度托盘，拱形变大于等于36 mm，尺寸为，配以球形垫和1010 尼龙垫圈。锚杆角度：垂直于顶板。网片规格：10 号铅丝菱形金属网，网孔规格40 mm×40 mm，网片规格4 700 mm×1 100 mm，网与网之间采用搭接法联接，搭接长100 mm。

2）顶锚索。在工作面顺槽使用直径为Φ13.24 mm的低松弛预紧力的钢绞线锚索，锚索长度选取5.4 m。布置方式：锚索采用对二布置，排距为20 000 mm（即每10 排锚杆打1 根锚索），锚索间距为2 400 mm，距巷帮1 130 mm，垂直顶板中部。锚索锚固方式：使用三支锚固剂进行锚固，钻孔直径为28 mm，锚固长度为1.5 m。锚索托盘：托盘钢号大于等于Q235，拱高大于等于60 mm。锚索预紧力：130 kN；锚索锚固力：大于300 kN。

3.2.2 巷帮支护

锚杆形式和其规格：采用杆体为Φ20 mm 的普通圆钢锚杆，（Q235），长度为2 400 mm。锚固方式：树脂加长锚固，使用两支锚固剂，钻孔直径为28 mm，锚固长度为1.3 m。锚杆布置方式：锚杆间、排距均为1 200 mm，每排设置3 根，锚杆起锚高度为300 mm。锚杆角度：靠近顶、底板的帮锚杆与水平线呈13°，其余锚杆与巷帮垂直。顶锚杆预紧力矩：180 N·m。锚杆锚固力：70 kN。钢筋托梁规格：采用Φ12 mm 的钢筋焊接而成，长度2 900 mm，宽度100 mm，在安装锚杆的位置焊接上两道纵筋，纵筋间距100 mm。网片规格：10 号铅丝菱形金属网，网孔规格40 mm×40 mm，网片规格3 000 mm×1 100 mm，网以及网之间采用搭接法联接，搭接长100 mm。

4 现场应用效果验证

4.1 巷道表面位移

为了验证在采取上述支护方式和支护参数后巷道围岩变形控制情况，参考相关作业规程的具体要求，在152306 工作面的进风顺槽和回风顺槽设置了多组综合测站，为了确保监测数据准确性，对于相同巷道选用同款监测设备，在交叉点位置安装离层动态监测。受文章篇幅限制，罗列代表性监测点的监测结果如图2 所示。监测结果表明：顶板基本没有下沉量，两帮移近量也很小，巷道基本保持稳定，从实测数据来看，顶底板最大移近量为360 mm，两帮最大位移量为240 mm，可见该巷道支护技术有效抑制了巷道围岩发生位移及变形。

图2 代表性监测点的监测结果

4.2 顶板离层监测

为监测巷道顶板离层变化，在进回风顺槽巷道共安装顶板离层仪46 多个，监测数据显示，大多数的监测点处的顶板离层数值为零，只有较少一部分的离层仪的显示离层数值范围在之间。由以上的结果可以得到，联合支护方式对条顺槽巷道顶板的稳定起到了至关重要的作用。

5 结论

1）随着井工煤矿开采深度的不断延伸，综合开采条件将更加复杂，坚硬顶板巷道围岩支护难度也将逐渐加大，如何克服地热、冲击地压、地质断层等不利条件给坚硬顶板巷道围岩支护带来的挑战，任务煤炭行业科学工作者及工程技术人员长时间研究、创新。

2）通过采取锚杆+钢带+锚索补强的巷道联合支护方式和合适的支护参数，有效抑制了巷道围岩位移变形和顶板离层，维持了巷道形态的稳定，起到了良好的支护效果。