坚硬顶板下15102回风顺槽围岩控制技术

杨 勇

（晋能控股煤业集团神农煤矿，山西 高平 048400）

1 概况

锚网索支护技术具有施工速度快、成本低、支护效果好等优点，已广泛应用于我国大中小矿井，甚至某些煤矿实现了百分之百的应用[1-5]。

神农煤业15102回风顺槽位于井田一采区南部，东部为实体煤，北邻15101回采工作面（未初采），西部为矿井3条采区大巷（轨道、胶带、回风），南部为措施井集中回风巷。巷道由15102回风顺槽运输联巷向东延伸掘进（方位角90°），巷道沿15#煤层顶板掘进，采用综掘，工作面标高+740～+785 m，地面标高+1090～ +1170 m。图1为巷道采掘工程平面图。结合附近ZK1钻孔，15#煤位于太原组下部K2灰岩之下，煤厚一般1.90～5.10 m，均厚3.79 m，煤层结构简单，一般含0～1层泥岩夹矸，厚0～0.35 m。煤层直接顶赋存0.8～1.2 m的砂质泥岩；基本顶赋存坚硬的K2灰岩，厚度9.51 m以上，其坚固性系数在15以上；底板主要由深灰色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成，局部含铝质泥岩及煤层，含丰富黄铁矿结核，厚3.35～10.82 m，均厚7.22 m。根据试验巷道生产地质条件和采掘等设备型号尺寸，设计巷道为矩形断面，掘进宽度为4500 mm，掘进高度为4000 mm。

图1 试验巷道采掘工程平面图

2 坚硬顶板下15102回风顺槽围岩控制技术

2.1 试验巷道围岩控制思路

基于神农煤业15102回风顺槽生产地质条件，提出适用于试验巷道的围岩控制思路，具体如下：

（1）高强度及时主动支护

试验巷道掘出后，巷道围岩由三向约束受力状态转化为双向约束单向自由的受力状态，在围岩表面未施加支护约束时，巷道浅层围岩碎胀破坏严重，甚至诱发深部围岩的变形破坏。为此，应采用高强度的支护材料，采用主动控制技术，及时实现巷道表层围岩的支护约束，形成高强主动控制结构，避免巷道掘进初期出现的围岩大变形现象。

（2）充分发挥坚硬顶板岩层的承载能力

试验巷道基本顶赋存坚硬的K2灰岩岩层，厚度9.51 m以上，其坚固性系数在15以上，其力学性质及承载性能良好。巷道支护时应充分发挥K2灰岩基本顶自身的承载能力，利用形成的高强主动控制结构，促使支护结构与坚硬顶板岩层的协同控制，从而实现坚硬顶板下巷道围岩良好的控制效果。

2.2 试验巷道围岩控制方案

基于神农煤业15102回风顺槽生产地质条件及其围岩控制思路，开发坚硬顶板下15102回风顺槽围岩控制方案。图2为回风顺槽支护断面图，具体支护参数如下：

图2 巷道支护断面图

（1）顶锚杆材料规格与布置方式。采用规格Φ20 mm×2400 mm的高强螺纹钢锚杆，间排距设计为1000 mm×1000 mm，锚固力不小于120 kN，预紧扭矩不小于250 N•m。高强度高预紧力锚杆支护促使围岩形成高强主动支护结构。

（2）帮锚杆材料规格与布置方式。巷道南帮（非回采帮）采用Φ18 mm×2000 mm的高强螺纹钢锚杆，北帮（回采帮）采用Φ20 mm×2000 mm高强玻璃钢锚杆，锚杆间排距1100 mm×1000 mm，其中螺纹钢锚杆锚固力不小于100 kN，预紧扭矩不小于200 N•m，玻璃钢锚杆锚固力不小于40 kN，预紧扭矩不低于70 N•m。

（3）锚杆托板规格。螺纹钢锚杆配套规格为150 mm×150 mm×10 mm的钢制预应力托板，玻璃钢锚杆规格为150 mm×150 mm×10 mm的塑料制预应力托板。

（4）锚杆锚固剂规格。每根锚杆配套K2335、Z2360型锚固剂各一支，可保证将巷道顶板浅部岩层锚固至基本顶。

（5）金属网规格。顶网采用直径为6 mm钢筋焊接而成的盘条网，网格100 mm×100 mm，规格1100 mm×2300 mm；南侧帮（非回采帮）采用12#铁丝编织而成菱形网，北侧帮（回采帮）采用夹筋塑料网，网格大小60 mm×60 mm，网片规格为1100 mm×3800 mm。

（6）锚杆梯子梁规格。顶板及南侧帮（非回采帮）螺纹钢锚杆采用直径Φ12 mm整根钢筋焊接而成的梯子梁成排连接，钢梁上设计锚杆卡栏。

（7）顶锚索材料规格与布置方式。锚索采用Φ17.8 mm×4200 mm的预应力钢绞线，配套规格300 mm×300 mm×20 mm钢制预应力托板，间排距1600 mm×3000 mm，每根锚索均采用端头锚固，每根锚索配套3根锚固剂（1支K2335、2支Z2360），将形成的高强主动支护结构锚固至 K2灰岩岩层，充分发挥围岩自身的承载性能。

3 围岩控制效果分析

将开发的坚硬顶板下15102回风顺槽围岩控制技术应用于现场。现场应用后，每隔50 m布置一个巷道围岩位移观测站，采用十字测试法监测巷道围岩变形。图3为试验巷道掘进5个月（150 d）的围岩变形情况。如图所示，15102回风顺槽掘进初期（60 d），巷道围岩发生了较大的变形。该阶段顶板累计下沉117 mm，移近速度约为1.95 mm/d；底板累计变形135 mm，移近速度约为2.25 mm/d；北帮（回采帮）累计变形99 mm，移近速度约为1.65 mm/d；南帮（非回采帮）累计变形90 mm，移近速度约为1.5 mm/d。之后随掘进时间的推移，巷道形成稳定的支护结构，围岩变形速度明显降低，并在巷道掘进110～120 d后围岩变形趋于稳定。此时顶板累计下沉161 mm，底板累计变形185 mm，北帮（回采帮）累计变形134 mm，南帮（非回采帮）累计变形121 mm。由于底板未进行支护，其变形量最大，南帮支护强度大于北帮，因此南帮变形量小于北帮。整体来说，回风顺槽的变形情况均在可控范围内，同时结合现场实地考察结果，试验巷道服务期间未发生明显的大变形现象，证明了坚硬顶板下15102回风顺槽围岩控制技术和参数的合理性和优越性。

图3 巷道围岩移近曲线

坚硬顶板下15102回风顺槽围岩控制技术实现了神农煤业15102回风顺槽的稳定控制，避免了因巷道变形造成的巷道多次修复工作，节省巷道修复人工费用和材料费用近30万元，避免了因巷道断面尺寸达不到服务要求造成的工作面停产，从而影响矿井高效正常回采，给矿井生产带来了显著的间接经济效益。

4 结论

锚网索为核心的主动支护技术具有施工速度快、成本低、支护效果好等优点，以神农煤业15102回风顺槽顶板赋存坚硬岩层K2灰岩为工程背景，提出了以高强度及时主动支护、充分发挥坚硬顶板岩层的承载能力为核心的试验巷道围岩控制思路。基于此，开发了神农煤业坚硬顶板下15102回风顺槽围岩控制技术。现场应用后，其变形结果显示，由于底板未进行支护，其变形量最大，南帮支护强度大于北帮，因此南帮变形量小于北帮。整体来说，试验巷道服务期间未发生明显的大变形现象，证明了坚硬顶板下15102回风顺槽围岩控制技术及参数的合理性和优越性。