辛置煤矿坚硬顶板下巷道围岩控制技术研究与应用

彭邦林

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

资源赋存决定了我国是以煤炭作为主要消费能源的国家。由于煤炭地质赋存所限，我国煤矿以井工开采为主，需要掘进大量的地下巷道。有关数据表明，我国每年掘进巷道长度超过2万km[1]。在煤矿开采过程中，保证地下巷道服务期内的围岩稳定是煤矿安全开采的基本保障。为此，针对煤矿地下巷道的围岩稳定控制，国内外专家学者进行大量研究，形成了诸如悬吊理论、组合拱、围岩强度强化等众多围岩控制理论与假说，又如锚杆、锚索、注浆、型钢、钢管混凝土及其联合支护等巷道围岩控制技术，推动了煤矿巷道围岩控制技术和理论的快速发展。目前，应用最为广泛的应数锚杆支护，其属于主动支护的主要技术手段之一，具有支护效果好、成巷速度快等优点[2-4]。

1 工程概况

辛置煤矿2-216综采工作面位于310 m水平二采区正前轨道巷左侧，东北面紧邻二采区正前轨道巷，东面距离2-206工作面约310 m，其余方向无任何工作面。地面标高+628～ +716 m，工作面标高+208～ +228 m。工作面开采2#煤层，区域内煤层厚3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤层倾角5°～10°，平均倾角9°。煤层稳定可采，结构复杂，含两层夹矸，其中第二层夹矸层位较稳定，厚度稍大，为低硫肥煤。工作面直接顶为泥岩、砂泥岩，厚0～7.5 m，平均厚度3.0 m，灰黑色，薄层状，层面含丰富植物化石，半坚硬，下部为泥岩，局部相变为砂岩；基本顶为K8中细砂岩，厚6.0～8.2 m，平均7.2 m，灰白色，厚层状，石英为主，次圆状，分选中等，坚硬；直接底为泥岩，厚4.0～6.5 m，平均厚度4.5 m，灰黑色，厚层状，水平层理，半坚硬，中上部含有菱铁矿结核；基本底为中砂岩，厚4.0～7.8 m，平均厚度6.5 m，灰白色，中厚层状，分选中等，坚硬。2-216工作面运输巷沿煤层走向布置，矩形断面，设计断面尺寸5.0 m×3.9 m，长度669 m，用途：进风、行人、运煤。

2 坚硬顶板下巷道围岩控制技术

2.1 坚硬顶板下巷道围岩控制思路

2-216工作面运输巷顶板赋存平均厚度7.2 m的厚层状灰白色K8中细砂岩，坚固性系数在11～12之间，岩层稳定性较高，承载能力较好。基于此，提出适用于试验巷道的坚硬顶板下巷道围岩控制思路，具体如下：

（1）发挥坚硬顶板岩层承载能力。试验巷道沿顶掘进，顶板赋存的厚层状灰白色K8中细砂岩，具有较高稳定承载性能。因此，在巷道支护时，将软弱岩层锚固至基本顶稳定岩层，充分发挥基本顶K8中细砂岩的承载能力，促使支护围岩形成统一承载结构。

（2）高强度及时主动控制。巷道掘出后，围岩由三向受力转为双向受力，未约束的围岩侧短时间内易出现严重的碎胀变形。因此，应及时施工支护结构，同时采用高强度的主动支护结构，如三高锚杆、预应力锚索等材料，充分改善巷道围岩承载能力，形成高强度的主动承载结构，实现巷道围岩的主动控制。

（3）支护参数合理优化。根据试验巷道揭露情况合理优化支护参数，如揭露断层、陷落柱等地质构造时，巷道围岩维护相对困难，可采用架棚、注浆或通过缩减锚杆间排距方式实现巷道围岩的稳定控制。

2.2 坚硬顶板下巷道围岩控制技术

基于2-216工作面运输巷生产地质条件，结合提出的坚硬顶板下巷道围岩控制思路，开发相对的坚硬顶板下巷道围岩控制技术，具体支护参数如下：

（1）顶板采用“高强度锚杆+预应力长锚索+钢筋梯子梁+W钢带+金属网”支护。高强度锚杆采用Φ22 mm×2400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm，每排布置7根，均垂直于顶板布置。每根锚杆配套1支CK2335和1支Z2360树脂锚固剂，预紧力矩不小于270 N·m。锚杆采用Φ14 mm圆钢焊接而成的钢筋梯子连接。高预紧力、高强度锚杆促使支护和浅部围岩（直接顶岩层泥岩和砂岩）形成主动锚固结构，改善巷道围岩条件。预应力长锚索采用规格为Φ21.6 mm×7300 mm的钢绞线，间排距2200 mm×2400 mm，每排布置2根。每根锚索配套1支CK2335和2支Z2360树脂锚固剂，张拉预紧力不低于40 MPa。锚索采用4 mm厚的W钢带连接。预应力长锚索将主动锚固结构悬吊至稳定岩层（基本顶岩层K8中细砂岩）。金属网采用直径Φ3.3 mm的铁丝编制而成，规格5200 mm×1200 mm。

（2）两帮采用“高强度锚杆+钢筋梯子梁+金属网”支护。高强度锚杆采用Φ20 mm×2200 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm，每排布置5根，均垂直于巷帮布置。每根锚杆配套1支CK2335和1支Z2360树脂锚固剂，预紧力矩不小于220 N·m。锚杆采用Φ14 mm圆钢焊接而成的钢筋梯子连接。高预紧力、高强度锚杆促使支护和浅部围岩（巷帮煤体）形成主动锚固结构，改善巷道围岩条件。金属网采用Φ3.3 mm的铁丝编制而成，规格3800 mm×1200 mm。巷道支护断面图如图1。

图1 巷道支护断面图

（3）根据矿井地质资料，试验巷道将揭露多条断层构造。在该区域内，合理优化支护参数，通过缩减锚杆索间排距实现巷道围岩的稳定控制。具体如下：顶帮锚杆间排距由800 mm×800 mm缩减至600 mm×600 mm，锚索间排距由2200 mm×2400 mm缩减至1600 mm×1600 mm，同时帮部增加预应力长锚索支护。锚索采用规格为Φ21.6 mm×5300 mm的钢绞线，间排距1400 mm×1600 mm。其余参数同正常区域一致。

3 巷道围岩控制效果

将提出的坚硬顶板下巷道围岩控制技术应用于2-216工作面运输巷，同时监测掘巷后巷道围岩变形情况。图2给出了巷道围岩变形曲线图，从变形曲线上看围岩变形大概可分为3个阶段，包括巷道初掘快速变形时期、中期缓速变形时期以及后期稳定变形时期。其中，巷道初掘快速变形时期大概在巷道掘出45 d阶段内，该阶段巷道围岩变形速度最快，顶底板岩层变形速度约1.07 mm/d，两帮围岩变形速度约0.80 mm/d；中期缓速变形时期在巷道掘出45～90 d阶段内，该阶段巷道围岩变形速度有所减缓，顶底板岩层变形速度约0.65 mm/d，两帮围岩变形速度约0.44 mm/d，变形速度相对降低39%和45%；后期稳定变形时期在巷道掘出45～90 d后，该阶段巷道围岩变形趋于稳定，围岩变形速度整体低于0.2 mm/d，此时巷道顶底板最大移近量约77 mm，巷道围岩两帮最大移近量约56 mm。综上所述，试验巷道围岩变形较小，均在允许变形范围内，表明了坚硬顶板下巷道围岩控制思路和技术的合理性和优越性。

图2 巷道围岩变形曲线图

4 结论

坚硬顶板岩层具备良好的承载能力，辛置煤矿2-216工作面运输巷顶板赋存基本顶岩层K8中细砂岩，基于此，提出了以充分发挥坚硬顶板岩层承载能力、高强度及时主动控制、支护参数合理优化为核心的坚硬顶板下巷道围岩控制思路，形成以“高强度锚杆+预应力长锚索+钢筋梯子梁+W钢带+金属网”实现顶板控制、以“高强度锚杆+钢筋梯子梁+金属网”实现巷帮控制的坚硬顶板下巷道围岩控制技术。该技术在现场应用后，实现了2-216工作面运输巷围岩的稳定控制。