掘进巷道顶板支护的优化设计

王 鑫

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 寿阳045400）

随着综采技术的不断进步，煤矿井下的开采深度不断增加，地质条件愈加复杂，特别是在矿压波动下的巷道顶板垮塌等日益严重，为了保障井下综采作业的安全性，不得不采用加强巷道支护、增加支护点位的方式对综采面顶板进行全面支护，虽然在一定程度上的提升了煤矿井下巷道顶板的稳定性，但不仅显著增加了巷道支护的成本而且也降低了巷道顶板支护的效率，给煤矿井下的综采作业效率和经济性造成了极大的影响。为了满足各煤炭生产企业对井下综采作业效率不断提升的需求，本文提出了一种新的井下巷道顶板支护方式，以锚网联合支护为核心，辅以巷道围岩深孔注浆加固技术，实现了对井下巷道围岩的可靠支护，根据实际应用表明该支护方案具有结构简单、支护效率高，稳定性好的优点，与传统支护方案相比，支护时的效率比优化前提升了16.9%，支护成本降低了27.2%，优化后巷道顶板的最大变形量比优化前降低了75%，巷道两帮的变形量比优化前降低了25%，极大地提升了煤矿井下的综采作业安全和综采作业的经济性具有极大的应用推广价值。

1 巷道顶板变形理论分析

以典型的深煤层地质结构为研究对象，其巷道顶板为砂岩、泥岩混合型结构，多数属于典型的厚煤层软弱型复合顶板，基本顶中多为粗砂岩，结构稳定性相对较差，以此地形条件为基础，假设巷道的断面为半圆拱形结构，采用传统的锚杆加强支护方案，支护锚杆选择直径为22 mm的锚杆，各锚杆之间的间距为600 mm×600 mm。利用FLAC数值分析的方式，模拟井下巷道矿压波动下对巷道顶板和巷道两帮变形量和支护强度的关系，结果如图1所示，图中1表示巷道深度为1 000 m，2表示巷道深度为900 m，3表示巷道深度为800 m，4表示巷道深度为700 m，5表示巷道深度为600 m，6表示巷道深度为500 m。

图1 巷道顶板和两帮变形量与支护强度的关系

由图1可知，煤矿井下巷道顶板和两帮的变形量均与支护强度成正比，支护强度越强，巷道顶板和两帮的变形量越小，支护强度越弱，在矿压波动下的变形量越大，而且巷道深度越大，同等条件下的变形量就越大。由此分析可知，随着深度的增加，在矿压波动下紧靠传统的锚索支护方案无法满足对支护稳定性的需求。可以通过在井下围岩上钻孔进行注浆，提高顶板围岩的结构强度，抑制矿压波动下的裂缝的扩展，提升巷道支护可靠性。

2 井下混合支护方案

根据对井下巷道在矿压波动下的变形情况的分析，本文提出了一种新的以锚网联合支护为核心，辅以巷道围岩深孔注浆加固技术，该技术方案主要是分阶段对巷道围岩进行加固，首先采用锚网联合支护，防止出现巷道顶板冒顶，然后在锚固阶段对岩壁进行灌浆加固，满足支护可靠性需求。

锚网联合支护，锚网联合支护是指在巷道的造壳成梁阶段，利用锚杆和金属护网，在巷道顶板形成可靠支护结构，该结构的主要目的是用来避免巷道发生片帮、顶板冒落等，同时还用于防止顶板和围岩在矿压波动下出现过大的波动，降低围岩碎裂现象，延缓顶板碎裂，确保巷道综采前期的稳定性。支护完成后利用短锚索以及相应的配件结构在以上支护结构的基础上，锚固到井下巷道深处的岩层内，建立顶板加强梁，形成一个具有较大承载能力的墙体，使其具有更高的承载能力，加强梁建立后对巷道围岩进行喷浆成巷处理。

当巷道掘进超过100 m后，开始对围岩出现裂纹的地方进行打孔注浆，利用钻进在岩壁上设置注浆孔，注浆孔的直径设置为30 mm，注浆孔之间的距离设置为1 500 mm，每个区域设置7组注浆孔，注浆孔应和围岩成45°斜角，确保能有效的将不同层面上的裂纹进行串联起来，增强注浆加固的效果，注浆时注浆管路采用镀锌钢管，注浆速度根据井下管路直径灵活调整。注浆料采用硅酸盐水泥材料，水灰配比按照1.0∶1.2进行制备，待灌浆料充分凝固后利用长度较大的单体锚索，对巷道顶板更深处的岩层进行固定，同时提升锚索的预拉力，使灌浆体和锚网支护结构形成一个完整的承载体，有效提升对巷道顶板的支撑可靠性，该混合支护方案如图2所示。

图2 煤矿井下巷道顶板混合支护方案

3 巷道顶板控制效果分析

为了对新型顶板支护方案的支护效果进行分析，在巷道内设置大量位移传感器，对不同控制方案下巷道顶板和两帮的变形情况进行监测，井下巷道支护优化前后的顶板和两帮变化情况进行对比，结果如图3所示。

图3 优化前后巷道顶板和两帮变形量对比

由图3可知，优化前巷道顶板的最大变形量约为160 mm，巷道两帮的变形量约为80 mm，优化后巷道顶板的最大变形量约为40 mm，比优化前降低了75%，巷道两帮的变形量约为60 mm，比优化前降低了25%，由此表明采用优化后的顶板支护方案，能够有效的降低在综采作业过程中顶板的变形量，提升巷道的稳定性。由于采用了混合支护的方式，实现了对支护结构的优化，降低了支护时对支护材料的使用量，根据实际应用表明，优化后支护时的效率比优化前提升了16.9%，支护成本降低了27.2%，极大的提升了井下巷道支护的经济性和稳定性。

4 结论

针对目前井下巷道顶板支护方式复杂、效率低下，支护稳定性差的缺陷，提出了一种新的井下巷道顶板支护方式，以锚网联合支护为核心，辅以巷道围岩深孔注浆加固技术，实现了对煤井下巷道顶板支护安全性的有效提升，根据实际应用表明：

1）煤矿井下巷道顶板和两帮的变形量均与支护强度成正比，支护强度越强，巷道顶板和两帮的变形量越小，支护强度越弱，在矿压波动下的变形量越大，而且巷道深度越大，同等条件下的变形量就越大。

2）与传统支护方案相比，新方案的支护时的效率比优化前提升了16.9%，支护成本降低了27.2%，优化后巷道顶板的最大变形量比优化前降低了75%，巷道两帮的变形量比优化前降低了25%，极大的提升了煤矿井下的综采作业安全和综采作业的经济性。