綜采工作面厚層頂板兩巷支護技術研究

摘 要：本文以某煤礦1311（1）工作面兩巷為例，開展新型錨桿強化支護體系的應用研究，采用超高強預應力組合錨桿及工字鋼對棚支護技術，通過加強支護強度及各種補強措施，充分調動圍巖自身承載能力，有效的控制了巷道圍巖變形，實現了巷道的穩定，為工作面正常安全回采創造了條件，并為綜采工作面兩巷頂板支護積累了經驗。

關鍵詞：工作面；厚層頂板；錨桿

一、前言

某煤礦第一水平-826m，屬于典型的深部礦井，目前東翼主采的11號煤層頂底板為厚層狀砂質泥巖，兩巷支護難度極大。某煤礦1311（1）工作面是東部第二采區首采面，位于DF162–1斷層以南，F117斷層以北，F83斷層以西，西到設計的采區大巷，周圍及上下煤層均未開采。該面煤層穩定，煤層局部變薄，煤層結構簡單，下部一般含一層泥巖夾矸，厚0.4～0.8m；受地質構造及沉積環境影響，煤厚沉積缺失0～2.8m，平均煤厚2.2m。東段發育三處變薄帶，煤厚沉積缺失0～2.4m，向西煤層穩定，煤厚1.2～2.8m。沿順槽方向，煤層底板起伏不大，自西向東煤層底板逐漸上升，切眼傾角較大，局部8°～10°，煤層產狀傾向90～205°，傾角0～10°。工作面11-2直接頂為砂質泥巖，局部為細砂巖，泥質結構，垂向裂隙發育，滑面發育，較致密，富含植物化石碎片，11-2煤和11-3煤間距3.52～8.52m，平均5.96m；直接底以泥巖及11-1煤為主，灰色，其次為砂質泥巖，頂底板相變均較大。

二、巷道頂板維護特點及壓力顯現

1.維護特點

（1）該煤層局部變薄，局部下部一般含一層泥巖夾矸，煤層賦存整體壓力較大，幫部煤層自身強度較低，控制難度加大。

（2）巷道埋深大，某煤礦屬于典型的深部礦井，東部巷道圍巖比較脆，地質條件復雜，支護問題日益突出，成為制約安全生產的一大難點。

（3）巷道走向距離較長，要求服務和維護時間較長，對支護強度及維護的長時穩定性有較高的要求。

（4）松軟復合底板在近乎無約束狀態將發生強烈破壞，但目前尚無簡潔有效的底板控制技術，只能通過加強兩幫及底角支護來減緩底鼓，不能從根本上有效控制底板巖層離層鼓起失穩。

2.壓力顯現

（1）頂板出現局部離層掉渣，在金屬網上形成網兜，嚴重時造成頂部錨桿失效。（2）巷道兩幫突出，頂板下沉，原有錨桿、鋼帶、槽鋼支護斷裂，破壞。（3）巷道底板鼓起，軌道變形，嚴重影響巷道斷面。（4）頂板離層加劇，錨索托盤變形，出現放射狀絞理，嚴重時錨索斷開失效。

三、深部巷道錨桿及工字鋼支護機理認識

高強度錨桿索支護在淺部礦井巷道支護中效果好，但在深部礦井高地壓巷道出現一系列問題：錨桿預應力過低，強度不足，抗沖擊性能差，造成錨桿拉斷或整體失效；錨索直徑小、強度低、延伸率低，與鉆孔匹配性差，出現錨索拉斷或整體滑動；鋼帶強度和剛度小，容易撕裂和拉斷，護頂效果差；錨桿、錨索強度和剛度偏低，單位面積錨桿數量多，間排距小，支護密度大，嚴重影響巷道掘進速度，造成采掘接替緊張。這些現象嚴重影響錨桿支護效果和安全程度。深部巷道支護問題，已經成為制約深部煤炭資源安全、高效開采的關鍵技術瓶頸，急需得到有效解決。

錨桿、錨索及工字鋼對棚支護是錨桿、錨索、工字鋼對棚聯合支護，共同支撐煤巷頂板的一種混合支護技術，它的作用原理就是利用錨、網、索、工字鋼支護強化和提高巷道頂板一定范圍巖層的抗剪壓能力，形成強化承壓拱，抵抗巷道圍巖變形，達到支撐維護巷道的目的。其具體作用就是通過對頂錨桿在一定預緊力作用下進行端錨，使端錨范圍內的復合巖層在錨桿的彈性壓縮下形成組合梁，同時利用工字鋼對棚對組合梁進一步增強支護強度。

理論研究表明，高強度錨桿可以提供圍壓0.25～0.4MPa，因圍壓增加的煤巖體強度為1～2MPa。對于中等強度以上巖石（30MPa），錨桿支護在巖石破壞前對其強度影響不大；對于強度低煤體（小于15MPa），錨桿在煤體破壞前對其強度有比較明顯的影響。

1.深部巷道應用錨桿支護的核心技術及支護參數

錨桿支護對圍巖強度、圍巖結構及應力都有不同程度的影響，經理論分析、數值模擬與井下試驗得出，由于深部巷道圍巖變形主要表現為圍巖受水平力剪切作用所產生的形狀（結構）變形和受軸向力作用所產生的體積膨脹所產生的擴容變形，且以擴容變形為主。因此提高錨桿支護系統的高度至關重要。提高支護剛度的途徑主要有兩方面，特別是錨桿預應力在支護系統中起關鍵作用：（1）錨桿施加較大預應力，并通過托板、鋼帶等構件實現預應力擴散；（2）采用加長錨固或全長錨固，使桿體對圍巖離層、錯動非常敏感，能及時抑制離層與錯動。

巷道錨桿支護技術的精髓就是高預緊力，從一開始就對圍巖進行強有力的作用，消除圍巖的初期松動和變形，調動圍巖整體承載能力，而不是等待圍巖產生松動變形后再去懸吊松垮的圍巖。在錨桿支護初期就給錨桿施加一個較大的預拉力，從而對圍巖產生反作用性能的高預緊力，不僅可以消除巖層內原始的裂縫空隙，也可以使各個巖層之間鎖緊為一個整體，提高錨固范圍內巖層的內摩擦角和內聚力，巖層的整體承載性能得到提高。圍巖的擴容變形與錨桿的初始支護強度之間呈負相關性關系，錨桿的初始支護強度越小，圍巖的松散變形越大；錨桿的初始支護強度越大，圍巖的松散變形越小。而且變形量隨初始支護強度的增大表現出不同速率的下降趨勢。

四、支護效果及礦壓結果分析

1311（1）工作面運順掘進之初，設計比鄰DF162-1大斷層掘進，由于地質勘探結果不夠詳細導致所留保護煤柱較小，工作面開采至附近時，頂板下沉近1.5m，再加上底板為泥巖比較松軟，巷道底鼓，致使轉載機及破碎機被壓，挪移不出，工作面不能正常推進。使用工字鋼對棚支護后，對巷道受力情況進行了觀測，頂底板最大移近量為280mm，兩幫最大移近量為200mm，頂板最大離層量為57mm。根據觀測結果分析認為：采用錨桿索加工字鋼對棚支護有效抑制了厚層頂板的離層下沉，巷道維護狀況良好，滿足了現場的應用，取得了良好的技術安全和社會經濟效果。

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作者簡介：馬少東，男，現工作于寧夏寧魯煤電有限責任公司任家莊煤礦。