泉店矿二1煤层巷道差异顶板分类及专家支护系统开发

张辉

（河南神火兴隆矿业有限责任公司 许昌 461000）

以泉店煤矿14010上巷（煤层巷道）为例，结合泉店煤矿地质赋存条件，整合之前泉店矿二1煤层巷道支护成功案例，系统的将泉店矿煤层巷道顶板进行分类研究，并在此基础上编译巷道支护软件，为二1煤层巷道支护提供技术参照。

1 泉店矿二1 煤层巷道差异顶板分类指标

泉店矿地质类别跨度大，影响煤层巷道顶板稳定性及支护对策的最主要和敏感因素为：巷道顶板赋存条件、岩体质量加权指标、软弱夹层影响程度和顶板不安全因子。

1.1 巷道顶板赋存条件

顶板结构是分析煤层巷道稳定性的必要因素，当前煤矿常用顶板锚杆的长度为2.0～3.0m，因而2.0～3.0m内岩性的赋存状态是顶板支护方式的关键因素，将泉店煤层巷道顶板分为三类[4-5]：

（1）顶板为完整的泥岩、砂质页岩或砂质泥岩，层理不发育，层厚一般超过1.0m，为a类完整型顶板；

（2）顶板岩性为裂隙或层理较发育的砂岩，或较完整且层理不发育的泥岩或砂质泥岩，顶板有诱发冒顶的裂隙，层厚一般不超过1.0m，为b类较完整型顶板；

（3）当顶板不够完整，层理发育，最大完整层厚一般不超过0.7m，为c类不完整型顶板。

如表1为典型巷道顶板赋存条件分类。

表1 典型巷道顶板赋存条件分类

1.2 岩体加权强度指标

岩体强度是影响煤层巷道顶板稳定性的关键因素，本文利用岩石坚固性系数f来分类围岩，f值等于岩石的单向抗压强度除以10，f也称为普氏系数。具体表达式如下

普氏分级法将f＞8的岩石，定义为坚硬岩石，8＞f＞3为中等坚硬岩石，f＜3的为软岩。

典型煤层巷道分析：

（1）11050煤层巷道顶板4m内为中细砂岩，根据矿方资料得岩石单轴抗压强度为126.6 MPa，f值为12.6，可定义为坚硬岩石；

（2）11020煤层巷道顶板1.03m为砂质泥岩，1.53m为细粒砂岩，1.98m为泥岩，根据矿方资料计算顶板4m内加权单轴抗压强度为65.2 MPa，f值为6.52，可定义为中等坚硬岩石。

1.3 软弱夹层影响程度

泉店矿深部煤层巷道对顶板支护主要采用的是锚杆支护。当前技术下，煤矿常用顶板锚杆的长度为2.0～3.0m，一般不超过3.5m，所以取软弱夹层在顶板的三个位置进行研究，分别为锚杆锚固区内1.5m，锚杆锚固区边缘3.0m，锚杆锚固区外4.5m。

经相关研究得，当软弱夹层在锚杆锚固区内部时，顶板不会出现离层跨冒事故；当软弱夹层在锚杆锚固区边缘时，锚固体的强度完全取决于锚固岩体的抗剪强度，可能会导致顶板的离层跨冒；当软弱夹层在锚杆锚固区外部时，锚固体能够支撑上部围岩的应力顶板一般不会跨冒[6]。

综上，结合泉店矿煤层巷道实际情况，可将煤层巷道按软弱夹层影响程度分为三类：

（1）煤层巷道顶板无软弱夹层，顶板支护程度很好，受软弱夹层影响为无；

（2）煤层巷道顶板软弱夹层位于锚杆锚固区内部或锚杆锚固区外部时，顶板支护及时合理时不会出现离层跨冒事故，受软弱夹层影响程度为中等；

（3）煤层巷道顶板软弱夹层位于锚杆锚固区边缘时，锚固体的强度完全取决于锚固岩体的抗剪强度，可能会导致顶板的离层跨冒，受夹层影响程度为严重。

典型煤层巷道分析：

（1）14060煤层巷道顶板无软弱夹层，顶板支护程度良好，受夹层影响程度为无；

（2）11080煤层巷道顶板直接顶属于软弱夹层，且位于锚杆锚固区内部，受夹层影响程度可定义为中等，14030煤层巷道顶板在6m左右处为0.28m厚辉绿岩，属于软弱夹层，且位于锚杆锚固区外部，受夹层影响程可定义为中等。

1.4 顶板不安全因子

顶板不安全因子是指顶板10m范围内抗压强度小于25MPa或厚度小于0.3m的岩层厚度之和与总厚度的比值，称为顶板不安全因子。

为了充分考虑岩性类型、完整性、顶板岩石成分和结构对顶板安全性的影响，不仅包括抗压强度小于25MPa或厚度小于0.3m的岩层厚度，也包括破碎裂隙层厚度。L为10m范围内的顶板厚度[7]。

当K≥0.4时为不安全顶板，需要对巷道进行特殊处理加强支护；当0.4＞K＞0.2时为较不安全顶板，需要在原有支护的基础上加强支护强度；当K≤0.2时为安全顶板，可按常规方法进行支护。

典型煤层巷道分析：

（1）14020煤层巷道顶板岩性较好，10m范围内为粉砂岩3.87m，泥质砂岩9.07m，K≤0.2，可定义为安全顶板，常规支护；

（2）14060煤层巷道顶板10m范围内为泥岩2.36m，中细砂岩5.46m，砂质泥岩7.63m，根据矿方资料得泥岩抗压强度为23.4MPa，K＝0.236，0.4＞K＞0.2，可定义为较不安全顶板，强化支护。

2 泉店矿二1 煤层巷道差异顶板分类

将上文所分析的四个因素：巷道顶板赋存条件、岩体强度加权指标、软弱夹层影响程度及顶板不安全因子综合考虑，交叉组合，并结合实际情况，可以将泉店煤矿二1煤层巷道分为五类，见表2。

表2 二1煤层巷道差异顶板分类

3 专家支护系统架构与实现

泉店矿二1煤层巷道顶板分类及专家支护系统采用的Visual Basic 6.0开发平台结合Access 2010系统开发中所应用到的核心技术：VB图形界面设计、Access 2010数据库开发技术[8-10]。

3.1 系统预期功能及开发技术

系统主要功能要求：

（1）提供不同巷道施工工艺；

（2）针对不同岩性进行不同顶板条件基本参数的输入；

（3）根据输入参数对巷道进行分类。

3.2 系统UI设计与功能实现

本系统在单击软件图标后即会进入登录界面，该页面主要有四个功能按钮，包括登录、退出、关于、系统流程图等。主要介绍系统相关背景，及使用说明。基本参数输入界面是进行巷道分类的前提，由上文提出的四种分类依据巷道顶板赋存条件、岩体质量加权指标、软弱夹层影响程度和顶板不安全因子，依次将相关参数填入系统中，系统将其智能分类。

4 典型巷道试验

4.1 巷道概况

14010上巷为回采巷道。设计长度为1300.98m，巷道沿二1煤层掘进，最大坡度为23°，最小坡度为5°，平均坡度为16°。14010上巷煤层较稳定，最小2.18m，最大3.36m，平均2.85m。

4.2 工程类比

系统所提供支护方案是现场支护设计的重要参考依据，现场施工时根据实际情况做出相应调整，表3是系统类比值与实际施工值的比较。

表3 系统类比与实际施工对比

4.3 矿压观测

泉店煤矿14010上巷矿压观测试验从2019年4月10日开始到2019年10月20日结束。试验过程中对二水平南翼轨道大巷巷道两帮及顶底板移近量进行了观测。共设9个矿压观测点，分别位于巷道通尺400m～900m处，经分析得到巷道表面位移量最大发生在通尺600m处，巷道左帮最大移近量达到55mm，巷道右帮最大移近量达到60mm，巷道顶板最大移近量达到62mm。巷道整体支护较好。

5 结论

（1）通过分析泉店矿二1煤层巷道顶板赋存情况，结合岩石力学参数试验结果，确定了巷道顶板赋存条件、岩体质量加权指标、软弱夹层影响程度和顶板不安全因子为二1煤层巷道差异顶板分类指标。

（2）根据煤层巷道差异顶板分类及大量煤层巷道支护成功案例编制泉店矿二1煤层巷道差异顶板分类专家支护系统，并成功应用于14010上巷。