望云煤矿顶板安全控制及跨高比的优化研究

付红亮

（山西兰花科技创业股份有限公司望云煤矿分公司，山西 高平 048411）

望云煤矿为瓦斯矿，其综采面上煤层的平均厚度约为4.4m，煤层的平均深度为603m，井下综采作业面的平均倾斜角约为4.8°，倾角面的长度为302m，井下可采长度为1174m。该综采面上地质条件较为复杂，巷道顶板的直接顶为砂岩结构，平均厚度约为4.6m，其巷道的基本顶以泥岩为主，砂岩为辅，平均厚度约为5.6m。在综采作业过程中瓦斯的相对涌出量约为18.6m³/t，总体上属于瓦斯煤层。因此为了降低综采作业过程中的安全隐患，采用了Y型通风系统结构，确保综采作业的安全性。

由于该综采面的巷道处在井下采空区域的边缘，且巷道岩体上具有大量的裂隙，极易导致井下巷道在综采作业过程中的受力变形，其地质结构特点决定了该矿在井下支护时采用传统的巷旁支护方案难以达到预期的效果[1]。因此为了提升煤矿井下巷道围岩受力时的稳定性和抗变形的能力，就需要考虑在采用传统支护结构的基础上优化井下巷道断面形态、合理设置跨高比的方案，提升对顶板的安全控制，降低综采作业时的振动冲击对巷道顶板的影响[2]。

1 跨高比对井下巷道顶板控制的影响

为了研究跨高比对煤矿井下巷道顶板控制的影响，本文针对望云煤矿井下巷道的实际情况，对不同跨高比情况下顶板在综采作业时的受力变形量进行实地测量，结果如图1所示。图中r表示跨高比。

由实际测量结果可知，在巷道高度一定的情况下，巷道顶板在受力作用下的最大变形量和平均变形量均随着跨高比的增加而增大。由图1（d）可知，当巷道的高度为2m时，随着巷道跨度的逐渐增加，其顶板受力情况下的变形量基本上呈均匀增加的趋势；当巷道的高度为3m，巷道的跨度由5m降低到4m时，其巷道顶板的平均变形量降低了约42.7mm，巷道的跨度由4m降低到3m时，其巷道顶板的平均变形量降低了约159.6mm,其变化幅度为之前的3.74倍；当巷道的高度为4m，巷道的跨度由5m降低到4m时，其巷道顶板的平均变形量降低了约36.2mm，巷道的跨度由4m降低到3m时，其巷道顶板的平均变形量降低了约176.8mm，其变化幅度约为前者的4.88倍。由此可说明，当巷道的高度超过3m以后，巷道顶板在受力情况下的变形量随着跨距的减小会急剧的降低，当其跨高比低于1.1时跨距变化对顶板变形的影响基本消失，因此望云矿在设置跨高比时，选择跨高比要低于1.1。

图1 不同跨距及跨高比下顶板变形研究

2 望云煤矿顶板跨高比优化

望云煤矿综采工作面的煤层的平均采高约为4.1m，综采巷道的高度为3.7m，在综采作业期间巷道的实际跨距在3.7～4.1m之间。根据上文对望云煤矿井下实际跨高比对顶板变形的影响研究，在该跨距范围内，其跨高比在0.75～1.1之间具有最佳的抗变形效果，结合瓦斯矿井下通风风量要求，综采面的回风巷的截面积不得低于8.2m2。因此综合井下地质特点及工程特性，最终确定该综采面巷道的跨高比为0.81，巷道高度为3.7m，跨距为2.99m。

在确定巷道跨高比的基础上，为了提高井下作业时顶板的安全性，本矿引入了锚索辅助支护[3]，加强对煤矿顶板的安全控制。在顶板采取的锚索加强方式中，将锚索设置为4-3-4的布置结构，每排之间的距离约为800mm，所选用的拉锁钢绞线的直径为22mm，其长度约为6300mm。在支护的过程中将锚索梁的整体向着综采面的方向进行偏移，偏移量约为1000mm。在对实体煤帮进行加固时采用了锚带加固的方案，用直径为20mm的锚杆搭配W5型钢进行煤帮支护。其井下加强支护结构示意图如图2所示。

图2 望云煤矿顶板安全支护及跨高比优化结构示意图

3 望云煤矿顶板安全控制及跨高比优化效果

为了对顶板安全控制和跨高比[4]的实际应用效果进行分析，本文对应用以来煤矿井下顶板的变形量进行了监测并绘制了如图3所示的变形曲线图。

图3 优化后巷道顶板变形曲线示意图

由实际监测结果可知，在综采面煤壁后侧21～80m的区间内，巷道顶板的变形量最为明显，其顶板的最大变形量达到了21mm/d，其两帮的变形量达到了34mm/d。在综采面煤壁后侧81～241m的区间内，巷道顶板的变形量基本稳定，最终其顶板的变形量约为591mm，两帮的变形量约为644mm。在整个过程中顶板的变形量要始终小于两帮的变形量，完全改变了优化前顶板变形量大于两帮变形量的情况，显著提升了井下巷道顶板的稳定性。

4 结论

为了克服望云煤矿分公司综采面顶板稳定性差、抗变形能力弱的缺陷，本文对望云煤矿不同巷道高度、不同跨距下顶板的稳定性进行了研究，根据实际监测结果针对性地提出了井下顶板安全控制和跨高比优化方案，根据在望云煤矿的实际应用表明：

（1）当巷道的高度超过3m以后，巷道顶板在受力情况下的变形量随着跨距的减小会急剧的降低，当其跨高比低于1.1时跨距变化对顶板变形的影响基本消失。

（2）综合井下地质特点及工程特性，最终确定望云煤矿综采面巷道的跨高比为0.81，巷道高度为3.7m，跨距为2.99m。

（3）优化后顶板的变形显著小于两帮的变形量，显著提升了井下巷道顶板的稳定性。