煤矿复合型顶板巷道支护方式优化研究与应用

田靖夫 许 帅 胡 楠

（1.山东能源枣矿集团矿管公司山西太岳分公司，山西 长治 046500；2.山东能源枣矿集团蒋庄煤矿，山东 滕州 277523）

1 工程概况

山西太岳煤矿井田范围内褶曲构造极为发育，整个井田处于挤压状态，局部顶板结构较为复杂，煤层局部夹杂泥岩或炭质泥岩层及砂泥岩互层，存在复合顶板现象。同时，开拓、准备、回采的三类巷道均会出现底鼓、片帮、两帮变形和顶板下沉，尤其是遇到地质构造发育地段，易造成巷道超高、超宽等现象，给巷道顶板安全管理带来较大的安全隐患。

2 支护方式的选择

（1）复合型顶板的围岩巷道目前多采用锚索网支护方式，要想使锚杆（索）在复合型顶板中充分发挥支护作用，必须实现锚杆、锚索及时施打和主动控制围岩。传统的预应力锚杆、锚索基本支护参数：顶锚杆采用Ф18×2000mm圆钢锚杆，间排距900mm×900mm；帮锚杆采用Ф16×1600mm圆钢锚杆,间排距为900mm×900mm；锚索采用Ф15.24×5500mm低松弛钢绞线，间排距为1800mm×2400mm；锚索托盘采用300mm×300mm×8mm的钢托盘；顶部钢筋梯用Ф10mm圆钢按照设计断面焊接制作；菱形网采用4#铁丝编制而成护帮；顶部钢筋网选用Ф5mm冷拔丝按网孔100mm×100mm焊接制作护顶。该种支护方式只能对巷道围岩提供一个轴力约束，基本能满足单一顶板情况的巷道支护，不能对复合型顶板及破碎较软围岩提供整体加固的效果。

（2）为了提高巷道掘进效率，改善巷道支护可靠性和效果，降低巷道修复支护成本，从整体上解决巷道支护问题，提高矿井的综合经济效益，在不增加总支护成本的前提下，通过相邻工作面构造区段的压力测试记录、现场支护效果的显现测试及支护结构的受力监测等手段，获取最佳的支护参数及优化配置。基本支护参数改为：顶锚杆Ф20×2400mm左旋无纵筋螺纹锚杆，间排距800mm×800mm；帮锚杆采用Ф20×2000mm全螺纹等强钢锚杆,间排距为800mm×800mm；锚索采用Ф17.8×5500mm低松弛钢绞线，间排距为1600mm×1600mm;锚索托盘采用350mm×350mm×8mm的钢托盘；顶部钢筋梯用Ф12mm圆钢按照设计断面焊接制作；菱形网采用4#铁丝编制而成护帮；顶部钢筋网选用Ф6mm冷拔丝按网孔100mm×100mm或50mm×50mm焊接制作护顶。最终在保证安全的基础上能够实现一次性支护成功。

图1 巷道断面支护示意图

（3）针对复合型顶板中较破碎围岩结构，提前考虑把破碎的围岩进行二次加固，支护材料的选择尤为重要。为此，结合钻孔注浆方案采取了预应力锚和自应力注。支护基本参数：Ф22×6000mm高强度螺旋肋结构预应力钢绞线；安装孔径Ф32mm；材质强度1770MPa；索体破断力400kN；树脂锚固长度1000mm；注浆压力5MPa。加固后，破碎较软围岩形成一个共同的承载结构，提高了整体强度和预应力锚注效果。同时，对其进行在线监测。

3 探讨研究的内容及成果

3.1 研究内容

（1）对煤矿同区域构造区段内顶板管控按照应力分布与应力水平定量测试数据，结合相邻工作面矿压测试数据，分区段进行支护参数更改，并对比巷道变形量，确定今后巷道所要采取的支护参数。根据目前所开采的煤层顶底板具体情况选择3个有针对性的地点，分别进行地应力测试和评价分析，把构造应力分布作为巷道支护优化设计的基础数据。

（2）根据实际揭露的巷道地质及围岩3类巷道支护情况，以回采巷道为主，研究测试煤层顶底板煤岩体的力学特征，为今后巷道支护设计提供理论依据和技术保障。

（3）针对开拓、准备、回采巷道，各选取2个试验点，对三类巷道进行优化设计。在此基础上进行现场观测，根据现场观测数据进一步进行方案优化。

（4）依据深井高地应力构造复杂矿井的巷道支护经验，结合矿井实际情况（地应力异常、围岩破碎、构造复杂），采取预应力锚和自应力注。

3.2 研究成果

（1）获得了矿井开采范围内不同区域构造区段应力分布和应力水平规律，对比各类数据，确定同采区巷道支护方式及参数。

（2）确定了煤层的顶底板岩石结构及力学性能在实际生产中可能存在制约生产的因素，为巷道支护提供基本依据。

（3）提供了开拓、准备、回采等三类巷道的合理支护方案。

（4）针对构造复杂区段，试用预应力锚注支护技术，矿井返修率降低至60%以上，采煤工作面超前支护区段巷道基本未发生变形。同时，获得了矿井巷道及掘进工作面围岩松动圈的范围及变形破坏规律。

在巷道掘进支护期间，结合现场实际，根据支护方式及参数，不断进行尝试改变支护材料，通过增加补打注浆锚索的支护方式，优化适应顶底板、两帮大变形的锚索盘改为锚梁联合布置等方法,通过现场实施与监测应用效果显著，并能够有效地控制复合顶板围岩的变形破坏。通过与相邻工作面对比，即满足了矿井生产需求，又减少了后期的修复及资金投入，可作为相同类型矿井地质构造段巷道掘进支护经验的数据参考。

4 结语

通过更改支护材料参数及配合注浆锚索，同时优化适应顶底板、两帮大变形的锚索盘改为锚梁联合布置，通过与相邻工作面巷道变形对比，现场实施与巷道变形控制效果显著，能够有效地控制复合顶板围岩的变形破坏，是控制围岩大变形的有效手段。通过数据对比，即满足了矿井生产需求，又减少了后期的修复及资金投入。自2014年以来，太岳煤矿在巷道施工过程中，不断摸索、监测、分析和研究巷道的支护参数，杜绝了各类顶板安全生产事故，实现了矿井生产安全。