基于頂板探測研究的巷道支護參數設計

陳 飛

試驗礦井系神華寧夏煤業集團梅花井煤礦，為年產12 Mt的大型現代化礦井，煤田地質構造簡單，地層產狀傾斜，傾角為11°～24°。主要含煤地層為中、下侏羅統延安組，共含17個可采煤層，主采2#煤、4#煤、6#煤、10#煤、12#煤和18#煤。6#煤層埋藏深度平均 280 m，最大363.5 m，開采厚度平均3.5 m。目前，該煤礦正在回采的116101綜采工作面運輸巷，高×寬為3.8 m ×5.4 m;回風巷，高 ×寬為4.0 m ×5.2 m，采用錨網索噴聯合支護。

1 頂板探測

1.1 頂板探測儀及測試原理

從地質角度而言，井下開采煤層頂板質量取決于頂板巖石成分、結構和沉積構造以及沉積后早期差異壓實和后期構造作用等，煤層頂板巖體由于沉積環境的演化，巖性巖相在橫向和縱向上變化很大。為直觀準確地描述試驗煤層頂板賦存特征，本試驗采用頂板TYGD10型巖層鉆孔探測儀，分析頂煤變化、頂板巖層巖性、巖層組合特征及頂板巖層裂隙分布情況，并為頂板穩定性分類提供基礎數據。

1)頂板探測儀結構。TYGD10型巖層鉆孔探測儀主要部件有：主機(1個)、探頭(1個)、數據線(20 m)、探桿(1 m×15根)、電源(1個)。主要技術參數見表1。

表1 TYGD10型巖層鉆孔探測儀技術參數表

2)頂板探測原理。TYGD10型巖層鉆孔探測儀是通過CCD(電荷耦合器件Charge Coupled Device)將巖層鉆孔內實測圖像，由電纜線傳輸到顯示器顯示出來，并可用記憶卡將圖像存貯起來。通過計算機對實測圖像的對比，可描述出巷道圍巖離層、錯位、破裂變化情況。同時，探頭伸及的地方有相應的標尺刻度，這樣就可確定圖像在鉆孔中的具體位置。

1.2 頂板探測試驗方案及工序

1)試驗地點。為了解試驗礦井回采巷道頂板巖性、圍巖裂隙及受采動影響頂板的變化情況，包括頂板巖層節理裂隙、破碎帶及各分層厚度等。根據試驗巷道的選擇依據以及礦方的實際需求，在116101綜采工作面運輸巷內進行頂板鉆孔窺視。測點布置見圖1。

圖1 116101工作面運輸巷頂板探測點布置圖

2)試驗工序。a)在實驗巷道內定點，兩孔之間相隔100 m。頂孔規格：孔深8 m，直徑32 mm，要求對沖洗孔內巖屑，防止巖屑阻擋觀測視線，影響窺視效果，對孔位置進行標記。b)打完孔后待孔內積水淋干，將探頭伸入被測鉆孔內部，對照液晶顯示器上的圖像，慢慢向內移動探頭，做好影像的存儲工作。c)根據實測鉆孔錄像，同時參照礦區實測鉆孔資料，繪制頂板鉆孔柱狀圖及頂板巖層對比剖面圖，進行理論分析。

1.3 探測結果及數據分析

1)探測結果。在116101工作面運輸巷內設14個測點，對各測點鉆孔柱狀圖進行匯總。從14個測點的柱狀圖中選取部分比較有代表性的柱狀圖及頂板巖層對比剖面圖見圖2，巖層探測視頻截圖見圖3。

2)探測結果分析。a)頂煤情況：留很少頂煤或不留頂煤。b)頂板巖性：主要以砂質泥巖和粉砂巖為主，其力學參數較高，但是遇水容易水解，遇風容易風化，從而造成巖體巖石力學強度的降低，導致巷道容易出現冒頂或底臌現象;層理較為發育，粉砂質泥巖和粉砂巖、細砂巖互層較多，分層厚度小，影響頂板穩定性。c)節理裂隙情況：在頂板較淺部有相對比較連續的小裂隙帶，深部裂隙較少，但最大破碎厚度超過5 cm，離層現象嚴重;隨著工作面的推進，采動影響成為頂板巖層破壞的重要因素，裂隙可能會更加發育，深部節理裂隙也可能出現。

2 巷道支護參數設計

由頂板探測結果可知，116101工作面運輸巷頂板巖層變化較簡單，穩定性相對較好，但由于粉砂巖、砂質泥巖本身巖性的特點，巷道頂板應采用錨網索+鋼帶聯合支護方式。具體支護參數如下：錨桿選用左旋無縱肋金屬螺紋鋼樹脂錨桿，頂部錨桿規格為d20 mm×2 500 mm，幫部錨桿規格為d20 mm×2 200 mm，頂、幫部錨桿均使用2節樹脂藥卷;錨桿間、排距800 mm×800 mm，“矩形”布置，每根錨桿充填Z2370的樹脂藥卷2節，全長錨固;拱部及幫部錨桿配套的鐵托板規格120 mm×120 mm×10 mm;幫部錨桿外加木托板，規格為400 mm×200 mm×50 mm，安裝時，幫部鐵托板安裝在木托板上面，木托板短邊垂直于巷道底板。拱部掛鋼筋網，幫部掛塑料網。鋼筋網由d6.5 mm鋼筋加工而成，規格為8 700 mm×800 mm，網孔規格為150 mm×150 mm，幫部塑料網，塑料網規格為10 000 mm×1 200 mm，要求金屬網長邊對接，金屬網短邊與塑料網搭接100 mm，使用14#鉛絲扣扣相連;鋼帶選用d16 mm圓鋼焊接，規格為7 280 mm×80 mm。采用錨索桁架進行加強支護，錨索桁架有兩套錨索及2.4 m的14#熱軋輕型槽鋼梁組合形成，錨索規格為d17.8 mm×5 500 mm，沿巷道方向3列布設，錨索間、排距2 200 mm×2 000 mm，每根錨索填充Z2370的樹脂藥卷3節及1個鋼托板錨固。噴射砂漿厚度為50 mm，砂漿強度為M7.5。

3 巷道礦壓顯現活動規律

采用對試驗巷道頂底板及兩幫表面位置移近量進行監測統計的方法，對所設計的巷道支護參數進行評價。巷道表面位移指在一定的時間范圍內，巷道頂底板及兩幫間的相對位置移近量，它是圍巖與支護相互作用的結果，也是評價巷道支護質量的一個重要指標。測量巷道表面位移的目的是要了解巷道表面位移隨時間的變化規律，從而得出巷道圍巖活動與支護參數之間的關系，為巷道合理的支護參數設計提供可靠的數據依據。

在巷道掘進穩定階段，對試驗礦井116101工作面運輸巷內從距離巷道口2 000 m開始，在頂板探測試驗地點附近，每100 m布置1個測站，共布置10個測站，每個測站包括頂底板及兩幫表面位移兩組測點。用十字交叉法測量巷道頂底板及兩幫的相對移近量。測量時將兩幫線繩拉緊，頂部線繩自然垂直懸空。利用鋼卷尺量取頂底板及兩幫移近量。

觀測初期應每天觀測一次，并及時處理數據，在變形逐步趨于穩定時可逐漸加大觀測周期。共觀測1個月，共30組數據，統計匯總見表2。

表2 各測站頂底板及兩幫移近量統計表 /mm

由表2數據可以看出，頂底板最大移近量發生在第9測站處為62 mm，最小移近量發生在第1測站處為32 mm，平均位移量為42～51 mm，變化范圍較小。兩幫最大移近量發生在第9測站處為49 mm，最小移近量發生在第2測站處為31 mm，平均位移量為37～43 mm。同時，還可以看出，從巷道口往工作面方向，頂底板及兩幫移近量有偏大趨勢，這是由于受工作面采動影響，圍巖活動加劇。

4 結論

1)116101工作面運輸巷頂板巖層主要為砂質泥巖和粉砂巖等，力學參數較高，頂板較穩定，但容易風化和水解，故在巷道掘進后期，頂板穩定性會有所下降，維護成本較高。

2)現有巷道支護參數適應頂板及兩幫圍巖的礦壓活動規律，在保證安全的前提下，支護效果良好，支護成本符合礦井生產實際情況。

3)該運輸巷道受工作面采動影響較明顯，在巷道掘進穩定后期及工作面回采階段，應做好巷道支護設施的檢查維護工作，防止因為巷道淋水風化導致頂板巖層強度降低、支護設施老化破損等安全隱患的發生。局部應加強支護，以抵抗工作面靠近所帶來的應力集中等影響。

［1］ 陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1994：133－142.

［2］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003：50－52.

［3］ 申金生，郭院成.地下巷道圍巖變形規律的實測研究［J］.建筑科學，2011(3)：22－23.