厚硬顶板回采巷道煤帮变形控制技术研究

曹育杰

（山西煤炭运销集团神农煤业有限公司，山西 高平 048400）

国内一般采用一次采全高综合机械化采煤方法以实现对厚煤层高产高效开采，然而厚煤层回采巷道空间大，回采过程中受超前集中应力等开采扰动影响，煤帮天然赋存的节理裂隙等结构弱面易进一步发育延展，当支护强度不足时甚至出现煤帮片帮破坏现象。当顶板赋存厚硬岩层时，煤帮成为围岩承载结构中较为薄弱的部分。针对回采巷道煤帮的稳定与控制，专家学者已获取大量的研究成果[1-4]。

本文基于对神农煤业15101 工作面回风顺槽煤帮变形原因的分析，提出了煤帮锚索补强+注浆改性加固技术，并设计了支护参数，成功地抑制了巷道片帮，保证了工作面的安全高效回采。

1 工程背景

15101 工作面回风顺槽位于太原组15#煤层内，巷道位于一采区轨道巷东部，井底变电硐室南部约90 m 处南部与15101 运输顺槽相邻。该顺槽主要担负15101 采煤工作面回风任务。巷道断面宽4.6 m，高3.2 m，设计长度498.2 m，沿15#煤层顶板掘进，巷道标高+738～ +780 m，对应地面标高+993～+1000 m。15#煤位于太原组下部K2 灰岩之下，平均厚3.20 m，煤质较为松软。煤层顶板为K2 灰岩，平均厚度9.51 m；底部为细砂岩，平均厚7.22 m。

由于15101 工作面顶板为厚硬灰岩，且15#煤煤质较为松软，回采期间受超前集中应力作用，巷道煤帮发生破碎片帮，影响巷道通风和行人运料安全，亟需采取措施控制煤帮显著变形。

2 煤帮变形控制技术

2.1 煤帮显著变形原因分析

如图1 为巷道开挖后煤帮变形破坏示意图。煤层上覆直接顶为厚硬K2 灰岩，巷道顶板自身具有良好的结构稳定性，抗采动影响能力较强，岩层不易变形破坏。而煤体天然赋存分布着尺寸不一、形态多样的节理裂隙等结构弱面。巷道开挖后围岩的应力环境发生改变，由原始的三向应力状态转变为两向应力状态，在卸荷拉应力的作用下，煤体内的结构弱面进一步发育、延展、贯通，其力学性能不断劣化，当破坏积累至一定程度时会展现出煤帮外鼓、剥落等现象。此时煤帮承载能力较差，由于浅部巷帮松软破碎，巷道真实跨度增加。

图1 煤帮变形破坏示意图

2.2 煤帮变形综合控制技术

针对巷道顶板为厚硬灰岩且煤帮松软破碎这一条件，为控制巷帮变形，提出采用锚索补强+注浆改性加固综合控制技术保障巷道稳定，可实现改善煤帮承载性能、增强煤体整体完整性、抑制煤体片帮的效果。该技术的出发点为以下几个方面：

（1）提升煤帮支护系统强度。通过设置高预紧力、加密支护来增加煤帮支护强度，实现主动支护效果，提升煤帮结构整体稳定性，强化承载性能。同时，施加高预紧力对围岩提供了主动的作用力，使改善围岩应力环境发生变化，由平面恢复至三向状态。锚杆（索）插入煤体内部后，能够贯穿内部发育的结构弱面，通过切向锚固力使煤体整体性加强，改善弱面的力学性质，提高抗变形能力。原支护设计锚杆预紧力为50 kN，预紧力相对较小，现将锚杆预紧力调整为100 kN；原支护设计帮锚杆间排距为900 mm×1000 mm，两帮各补打两根锚索增加支护系统密度。

（2）提高煤帮自身强度。由于15#煤层煤体松软破碎，承载能力差，受开掘及开采扰动煤帮极易出现片帮破坏，因此需要采取注浆的方式改善煤帮承载性能。注浆能够通过浆液封堵围岩内结构弱面，将煤体与空气隔绝，避免进一步风化劣化，能够防止水对岩石的侵蚀。注浆后将松散破碎的围岩胶结成整体，提升了煤帮的整体性，改善了煤体的内聚力、内摩擦角等力学性能参数，煤帮抗扰动能力加强，且能够实现利用本身作为支护系统的一部分。

2.3 控制方案与参数

根据巷道围岩条件，结合巷道原支护参数（图2），综合上述分析与工程类比，确定了片帮控制方案及技术参数，如图3。

原支护参数：锚杆型号Φ20 mm×L2000 mm，顶板锚杆间排距为800 mm×1000 mm，帮锚杆间排距为900 mm×1000 mm。

补强锚索参数：锚索选用规格为Φ21.6 mm×L7000 mm 普 通 锚 索， 配 备 规 格 为200 mm×200 mm×10 mm 的高强球形托盘。巷帮每排布置2 根锚索，在距底板630 mm 高位置打1 根锚索，锚索间排距为1800 mm×2000 mm。

注浆参数：在安装锚索时，提前在孔内放置Φ8 mm×L4000 mm 注浆铜管，用封孔材料封孔后，再张拉锚索开始注浆。选择42.5 硅酸盐水泥，注浆压力不小于3 MPa。

煤帮锚索补强+注浆加固工作面需超前工作面100 m 以上开展，遇见构造等围岩破碎区域，需采取补打单体柱等加固措施。

图2 巷道原支护方案

图3 巷道补强支护方案

3 应用效果

采取锚索补强+注浆加固综合控制技术对巷道煤帮进行加固后，煤帮的力学性能及承载能力被改善和加强，能够承受上覆岩层载荷，不发生片帮破坏。为验证补强支护效果，对巷道围岩变形情况进行了观测分析，巷道变形情况如图4。

图4 巷道变形量曲线

从图4 中能够发现：当距离工作面75～100 m 时，此时属于煤帮锚注加固初期，在采动应力作用下围岩变形速率显著，由于此时浆液尚未达到终凝强度，巷道围岩仍持续变形；当距离工作面30～70 m，此时属于煤帮锚注加固终凝稳定期，此时浆液达到终凝强度，抗变形能力强，围岩变形较为缓慢；当进入采面前方30 m 范围内时，受超前集中应力作用，围岩变形呈加速趋势。针对顶底板及两帮的变形情况进行研究，发现煤帮变形量比顶底板移近量更为明显，回采侧变形量可达126 mm，非回采侧煤帮变形量可达98 mm，而顶底板移近量为78 mm。同时，能够发现注浆达到终凝强度后的抗变形能力强，采动应力对煤帮的扰动破坏较小，尽管进入采面前方30 m 内后变形速率加快，但同注浆初期相比围岩变形情况仍较缓和，表明综合加固措施效果良好。针对注浆初期浆液未达到终凝强度，期间围岩变形大的情况，可通过增大实施地点距工作面的距离增长凝固时间。

基于上述对巷道变形观测结果的分析，可以得出采取锚索补强+注浆加固综合控制技术后能够有效地对煤帮进行加固，改善了煤帮承载性能，抑制巷道发生煤帮变形破坏现象，保证了巷道服务期间的通畅。

4 结论

（1）针对15101 工作面回风顺槽煤帮变形破坏这一问题，为抑制帮部变形，提出采取锚索补强+注浆加固综合控制技术对煤帮进行加固强化。

（2）采取加固措施后，现场实测表明加固效果良好，改善了煤帮承载性能，控制了巷道变形，保障了巷帮稳定。