顶板破碎煤层联合支护方式的改进

曹海龙

(大同煤矿集团永定庄煤业公司，山西 大同 037000)

0 引言

随着世界经济的快速发展，对于能源的需求日益增加，煤炭作为我国主要能源之一，对我国经济的发展具有重要影响，如何确保煤炭安全高效的开采成为整个行业面临的重大难题[1-2]。在煤炭开采过程中，顶板事故是矿井发生频率较高，危害较大的事故之一，因此煤层顶板安全有效的支护一直是矿井安全作业的重中之重[3]。

为充分保障井下的安全生产作业，推动煤矿企业持续稳定的发展，需要对石炭系煤层顶板进行安全可靠的支护。当前，针对于中厚煤层破碎顶板采用的支护方式主要有“锚网索”“锚网索+架棚”“全锚索+金属网”以及架棚支护等[4-6]。然而，传统的常规锚杆锚索联合支护技术逐渐难以实现对石炭系煤层破碎顶板的有效支护[7-9]。为解决这一问题，结合石炭系煤层开采特点和实际情况，在传统的常规锚杆+锚索支护技术基础上提出一种主动支护与被动支护相结合的顶板联合支护方式。

1 支护技术

1.1 顶板岩性

大同矿区赋存着侏罗纪系煤层和石炭系煤层，其中，石炭系煤层稳定性差且顶板结构情况复杂，该煤层顶板岩性情况见表1。随着对石炭系煤层的开采，煤层顶板局部容易出现火成岩侵入，这增加了煤层顶板的压力，容易造成顶板的破碎，甚至发生冒顶事故，严重威胁到井下工作人员的生命安全和企业财产安全。

表1 石炭系煤层顶板岩性

1.2 锚杆+锚索支护

将高质量的锚杆+锚索同时设置在顶板岩层中，能够发挥出它们的加固作用。锚索自身的工程延伸量小，促使煤层顶板在其变形范围内产生松动破坏区减小[10-13]。合理设置锚杆能够有效对煤层顶板下分层的岩体起到稳固作用，促使它和顶板上分层结合成一个有机的整体，从而保证了顶板的安全稳固性。并且，由于锚索长度能够有效深入到巷道顶部较深位置的稳定岩层中，这样就可以进一步对锚杆支护能力进行补强，同时对巷道顶板深部岩层进行大应力预紧加固，将顶板过于松动范围的岩层有效悬吊在深部稳定岩层当中。锚杆+锚索支护是目前煤层顶板支护应用较为有效的一种主动支护方式。

1.3 局部钢针+架棚支护+喷浆处理

钢针支护是将钢针插入预先设计顶板的位置，使钢针在未掘进煤体内形成假顶，利用钢针稳固顶板破碎煤层，对破碎顶板起到超前支护的作用。待钢针固定在煤层顶板上方以后，直接在钢针下方打顶板钢带及相应的锚杆+锚索支护，从而有效固定破碎的煤层顶板。架棚支护作为一种被动支护技术，通常使用工字钢或U型钢棚子对煤层岩体进行局部补强支护，在提高顶板可靠性、稳定性方面起到很大的作用。喷浆处理能够及时封闭裸露的岩石，防止其进一步风化。因此，在煤层岩性较差以及顶板压力较大发生破碎时，采取局部钢针+架棚支护+喷浆处理组合的被动支护方式可显著提高支护效果，减少事故的发生。

2 联合支护方式的改进

2.1 改进思路

根据石炭系煤层的实际情况，提出一种以锚杆+锚索(顶锚索+角锚索)+金属网+组合锚索为承载结构，配合对特殊岩层局部串钢针支护+局部架棚+喷浆的改进联合支护方式。锚杆+锚索+金属网+组合锚索的承载结构作为一种主动支护形式，对煤层地质条件的适应性强，而且能够显著提高顶板的承载能力，有效保证了煤层顶板的稳定性。由于石炭系煤层顶板的岩层环境可能存在部分强度较低的灰岩与砂岩，仅采用单一性的锚杆+锚索+金属网+组合锚索支护方式难以使顶板的加固处理达到预期稳定效果，可能导致煤层顶板出现大面积的破碎现象。因此，针对这类特殊岩层，在原有的承载结构基础上增加局部钢针+局部架棚+喷浆等被动支护方式，能够有效地提高顶板破碎煤层的稳定性，达到最佳的顶板支护效果。

2.2 施工步骤

改进后的联合支护方式具体施工步骤如图1所示。在掘进过程中，首先观测顶板煤岩情况，根据地质力学测试结果及以往煤层顶板支护经验，确定锚杆、锚索和金属网的长度、直径以及其相应的位置和相互之间的间排距。对局部顶板破碎严重段增加组合锚索支护如图2所示，其中组合锚索为5根锚索配备钢托盘，锚索为两根6 m锚索、两根8 m锚索，一根10 m锚索，6 m和8 m锚索对角布置，10 m锚索居中布置。如遇到特殊地质构造带，即岩体中灰岩及砂岩的成分较多，在原有支护结构上再增加局部串钢针支护和局部架棚支护，最后在煤层表面进行喷浆处理，喷浆厚度不小于0.1 m，以保证顶板稳定性和施工安全性。

图1 改进的联合支护流程

图2 组合锚索结构

3 结语

由于石炭系煤层结构复杂，对煤层顶板支护的稳定性要求势必增加，尤其是在开采结构复杂、顶板破碎的煤层时，传统锚杆+锚索的联合支护方式可能无法有效保障开采的安全性和稳定性。在锚杆+锚索联合支护的基础上结合多种支护方式进行安全支护，能够有效提高石炭系中厚煤层顶板破碎时的支护强度，使煤层顶板的稳定性和安全性得到显著增强。此外，该支护方式结构简单、施工方便，有效提高了安全性和开采效率，对煤矿企业的长久持续发展具有较大意义。