基于掘锚一体化特厚顶煤巷道快速掘进及支护技术分析

卫争刚

摘要：综采放顶煤开采是一种安全、高效的煤层开采方法，在我国煤矿得到了广泛的推广和应用。综采工作面一般要求沿煤层底板组织开采巷道，巷道顶板为一定厚度的煤层。由于煤层的阻力一般低于岩层的阻力，如果煤层的薄片、节理等结构面相对复杂，将显著增加道路支护的难度。在分析煤巷围岩煤层锚杆锚索锚固性能监测机理的基础上，研究了高精度锚杆支护技术。该技术在煤矿的应用结果表明，该技术能有效地控制特厚煤层整个煤巷的强烈变形，满足煤矿安全高效生产的需要。

关键词：特厚煤层;快速掘进;支护

随着我国煤炭开采机械化水平的提高，高产高效矿井对道路掘进效率提出了更高的要求。我国煤矿岩巷开挖的地质条件、成本和效益决定了主要的开挖方式。因此，多个掘进工序的效率、科学技术的采用和合理支护系统的设计是煤矿高效掘进的重要保证。某煤矿公司正在开采特厚煤层，如主采 10#煤层，平均厚度为11.7米。不仅煤层厚度大，而且煤的结构复杂。

一、特厚顶煤巷道围岩地质力学特性及可锚性测试

采用两种方法测量煤的强度：一种是在实验室对煤样进行现场取样和压缩试验;二是采用钻穿法测试巷道掘进时煤层的单轴压缩力。

1.1实验室测试。在煤矿 1002 回风顺槽顶板对 10# 煤层现场取样，试验采用MTS815 GT Rock试验系统。在加载达到最大值前，采用轴向加载控制方式，加载速率为30kN/min;当接近最大值时，采用横向变形控制方法。首先，在约束压力为0时进行单轴压缩试验，煤样的单轴压缩力为15.0 mpa-24.6 mpa，平均值为19.8mpa。然后进行了煤样在安全壳压力下的压缩试验。围压分别为3.2 MPa、16 MPa和22.4 MPa，围压负荷率为3 MPa/min。随着围压的增加，煤样的抗压强度增加。

1.2井下试验。采用钻孔穿透法，在地下道路钻孔内进行了煤层阻力的现场测试。一个深度为10m的钻孔垂直布置在屋顶中间，水平布置在道路侧面的中间。围岩力测试仪用于测量顶板和侧缝的压缩力。辅助道路煤矿运输试验结果如下：通过顶板钻孔的煤炭垫片的平均压缩力为10.1MPa，巷井侧面煤炭接头的平均压缩力为12.7MPa;钻入顶板煤层的平均压缩力为12.4MPa，钻入巷井煤层的平均压缩力为13.4MPa。通过将实验室试验结果与进口孔板现场试验结果进行比较，可以验证现场试验数据明显低于实验室数据。主要原因是在实验室煤样中测量了整个煤块的强度，而现场地下测量的结果更接近于煤体的强度。

1.3煤层结构。矿区特厚煤层结构较为复杂。煤层在垂直方向上非常复杂，受力变化很大。硅化煤具有很高的阻力，而混合煤具有松散的结构和很低的强度。利用kdvj-400电子穿刺采煤机带路、辅助运输道路、回风巷、塔山煤矿首采降落伞对围岩结构进行了观测。

观测结果直接反映了巷道顶板的结构分布。煤层顶部多处横向席状裂隙、纵向和斜向节理裂隙。浅层煤体较破碎，部分部位出现明显分选。这些结构对道路屋顶的完整性和稳定性有重大影响。

1.4地应力

由于煤层电阻率低，结构破碎，煤层地应力测量非常困难。为了了解超厚煤层周围原始岩石的张力状态，对煤层顶板岩石进行了地应力测量。小型液压原位应力测量装置用于对运输辅助道路和煤矿1002的测点进行原位应力测量。结果表明：

（1） 三个测点的主要最大水平应力大于垂直应力。地应力场以水平应力为主，以构造应力为主。

（2） 主水平最大应力和垂直应力之间的关系为1.02-1.09，两者之间差异不大。主最大水平应力与最小水平应力之比为1.49-1.86，表明水平应力具有明显的方向性。

（3） 三个测点的主要水平最大作用力方向为NNE向，测量结果一致，结果表明，研究区受北北东向构造应力的影响。

1.5煤层可锚性

例如，螺旋和锚索支护是在粗煤和特厚煤的上工作面完全机械化的情况下支护巷道的有效方法，但了解是否可以采用这种支护方法的關键是固定顶煤，即煤层处螺旋电缆和锚的固定应符合设计要求。因此，在地下进行了移除锚索和锚索的试验。煤层显示，在顶煤完整的位置，用k2335和z2360树脂锚固剂锚固后，锚固力可达到150 kn以上;然而，受火成岩侵入影响的碎炭中，锚杆和锚索的锚固力较低，锚索锚固力低于100kn。并在该煤矿顶煤上进行了锚索固定力试验。煤层处锚索锚固力可达250kN。综上所述，在坚硬完整的顶煤中，螺杆与锚索的紧固力能满足设计要求，而在松软破碎的煤层中，螺杆与锚索的紧固能力较差，锚固力较低。因此，在较厚的顶煤巷道上使用螺旋索和锚杆支护时，需要选择合理的锚固位置，通过完整或延长锚固来保证螺旋索和锚杆的锚固性能。

二、特厚顶煤高速公路支护原理

2.1 煤顶巷道的变形主要包括两部分：一是煤体结构平面的扩展变形，如分离、滑动、裂缝张开和新一代裂缝;二是煤的弹性变形、峰值强度前的塑性变形和锚固区的一般变形。合理的煤顶巷道支护应显著提高支护系统的初始刚度和支护强度，有效控制煤体膨胀变形，保持较高煤体的完整性。同时，支撑系统应足够加长，以允许第二次变形释放高应力。

2.2 锚杆和锚索对支护效果起着决定性的作用。根据煤层顶板的路况，将锚杆和锚索固定在合理位置，在围岩中施加合理的预应力，是支护工程的关键。

2.3锚索在煤顶板巷道中的作用主要有两个方面：一是将上部煤中锚杆支架形成的支承结构与深部炭体连接，提高支承结构的稳定性。条件是锚索必须锚固在最硬、最完整的煤缝处;二是锚索施加了巨大的预应力，与锚杆形成的压缩应力区域结合，形成骨架网络结构，主动支护围岩。

三、特厚顶煤巷支护方法

根据上厚煤巷的特点，结合以上支护原理，确定上厚特厚煤巷的支护方式为：高阻力树脂、加长锚杆、组合锚索，在围岩破碎地段，可进行疏导加固。螺旋索和锚杆支护参数的设计采用动态信息设计方法。这种设计方法有两个特点：一是项目不是一下子完成的，而是一个动态的过程;其次，项目充分利用每个过程中提供的信息，实时收集、分析和反馈信息。设计方法包括五个部分：岩石周围道路的地质力学评估、初步设计、地下监测、信息反馈和校正设计。初始设计通常通过数值模拟结合现有经验提出。初始地下工程实施后，应对岩石位移以及锚杆和锚索的作用力进行详细监测;根据监测结果评估初始项目的合理性，必要时对初始项目进行修改。正常施工后应进行日常检查，以确保道路安全。

四、结论

（1） 位于熔融煤顶部机械化部分的采煤道路，其主要特点是：上部煤厚大，火成岩侵入后，煤体破碎，受力剧烈变化;为满足大型设备的运输和通风需要，路段较大;顶板岩石强度高，开采影响大。这些特点给矿山巷道支护带来了诸多问题，对支护技术要求较高。

参考文献：

[1]胡学军，范世民 . 煤巷锚杆支护成套技术在矿区的应用[J]. 煤炭科学技术，2017，31（6）：33–35