坚硬顶板下采动影响巷道围岩控制技术研究与应用

毛望平

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

长期以来，煤炭一直是我国的主要消费能源，短期内，以煤为主的能源结构还不会改变[1-2]。在煤炭开采中，由于井田开拓和采区布置规划，工作面回采巷道必然面临着采动影响。受采动影响，巷道围岩应力显著增加，围岩易出现严重的变形破坏，必须进行加强支护[3-5]。为此，开展坚硬顶板下采动影响巷道围岩控制技术研究具有显著的现实意义，可为类似坚硬顶板下回采巷道支护技术提供借鉴。

1 概况

辛置煤矿2-559工作面位于2#煤层450 m水平南五采区，工作面地面标高720～755 m，工作面标高306～370 m，走向长760 m，倾斜长131 m。地面位于南桃花渠村东南，跑蹄进风井工业广场东北部，全为农田耕地、山丘沟壑，黄土覆盖厚度220～234 m，基岩厚度312～394 m。井下位置及四邻采掘情况：北为2-534工作面采空区，东部为2-560掘进工作面，南部为310回风巷、310皮带巷及310轨道巷，西部为上跑蹄风井与工业广场保安煤柱。煤层煤厚3.35～4.10 m，平均3.75 m，煤层结构1.82（0.03）0.60（0.44）0.86，煤层倾角3°～12°，平均5°。基本顶为K8中细砂岩，厚度5.0～6.0 m，石英为主，含少量云母片，波状层理、坚硬；直接顶为泥岩、砂泥岩，厚度4.5～7.5 m，局部为粉砂质结构，上部为0.2 m煤线；直接底为泥岩，厚度5.5 m，厚层状、水平层理，半坚硬；基本底为中砂岩，厚度3.5 m，较坚硬。2-5591（正）巷服务于2-559工作面，用于进风、行人、运煤，设计断面为矩形断面，设计断面尺寸4.0 m×3.5 m，设计长度833 m。

2 坚硬顶板下采动影响巷道围岩控制技术

2-5591（正）巷顶板赋存坚硬顶板岩层，受采动影响，顶板岩层垮落步距和来压强度明显增加，巷道围岩应力明显增大，围岩破碎程度较高，控制难度较大。为保证巷道服务期内围岩的稳定控制，根据采掘条件，开发了坚硬顶板下采动影响巷道围岩控制技术，充分利用围岩承载能力，实现巷道围岩的稳定控制。

2.1 锚网梁主动支护技术

巷道掘进后，及时采用锚网梁主动支护，通过锚杆、锚索、金属网、钢筋梯子梁等支护材料，采用主动控制的方式，充分利用围岩承载能力，从而实现巷道掘进后的稳定控制。具体支护参数如下：

（1）锚杆支护。顶帮锚杆均采用直径22 mm、长度2.4 m的高强锚杆，顶帮锚杆间排距均为800 mm×800 mm，每根锚杆配套规格120 mm×120 mm×12 mm的高强蝶形托盘，同时配套1支型号CK2335、1支型号Z2360的树脂锚固剂，锚杆预紧扭矩设计不低于300 N·m，锚杆采用直径12 mm的圆钢焊接的钢筋梯子梁成排连接。主动的高强度锚杆支护结构，可有效改善巷道围岩承载性能，有效控制巷道变形，如图1。

（2）锚索W钢带支护。顶板采用直径21.8 mm、长度7.3 m的预应力钢绞线锚索进行加强支护，间排距设计为1600 mm×1600 mm，每排两根，每根锚索配套规格300 mm×300 mm×14 mm的高强蝶形托盘，同时配套1支型号K2335、2支型号Z2360的树脂锚固剂，锚索张拉预紧力设计不低于45 MPa，每排两根锚索采用3 mm厚的W钢带连接。直径21.8 mm、长度7.3 m的预应力钢绞线锚索可将锚杆形成主动承载结构锚固在5.0～6.0 m厚的K8中细砂岩，充分利用坚硬基本顶岩层的承载能力，实现巷道掘进后的稳定控制。

（3）顶帮均铺设菱形金属网，采用10#铁丝编制而成，顶网规格为4200 mm×1000 mm，帮网规格为3400 mm×1200 mm。金属网用于增加巷道支护表面积，配合钢筋梯子梁等材料，有效约束巷道表层围岩变形。

2.2 超前单梁单柱支护技术

巷道超前工作面20 m范围内采用单梁单柱进行超前支护，单体液压支柱型号DZ-42（Φ110 mm）型，小梁为规格1.2 m的π型梁，小梁垂直于巷帮布置，两排支柱距两侧煤帮1.0 m，柱距1.0 m，如图1所示。当超前工作面范围围岩破碎或顶板压力大时，柱距可缩小到0.5～0.8 m；或在巷道中加设一排单梁单柱，柱距0.6 m；也可采用套单体液压支柱与3.2～3.6 m工字钢梁配合成的一梁两柱的棚子支护，柱距3.2 m，棚距0.8 m。

图1 巷道支护断面示意图（mm）

3 巷道围岩控制效果

对2-5591（正）巷掘进影响时期和工作面采动影响时期巷道围岩变形情况进行现场监测，变形曲线图如图2。

图2 巷道变形曲线图

图2（a）所示，掘进影响时期巷道变形主要发生在巷道掘进后80 d内，该时期顶底板累计变形124 mm，两帮累计变形98 mm，之后巷道围岩变形趋于稳定。巷道掘进稳定后，顶底板累计变形125 mm，两帮累计变形105 mm。图2（b）所示，采动影响时期巷道变形主要发生在超前工作面30 m范围内。超前工作面20～30 m范围内，顶底板累计变形21 mm，两帮累计变形18 mm；超前工作面10～20 m范围内，顶底板累计变形133 mm，两帮累计变形87 mm；超前工作面0～10 m范围内，顶底板累计变形102 mm，两帮累计变形89 mm。其中，超前工作面0～20 m范围内，巷道变形较大，但变形仍在可控范围内，且整体处于超前单梁单柱支护区域范围内。

4 结语

针对坚硬顶板下采动影响巷道维护困难问题，以坚硬顶板2-5591（正）巷为工程背景，开发了坚硬顶板下采动影响巷道围岩控制技术，主要包括锚网梁主动支护技术和超前单梁单柱支护技术。锚网梁主动支护充分利用围岩承载能力，从而实现巷道掘进后的稳定控制，超前单梁单柱支护用于采动影响巷道的加强控制。技术应用后，有效解决了坚硬顶板下采动影响巷道维护难题，实现了辛置煤矿2-5591（正）巷的稳定控制。