堅硬頂板煤巷合理支護方式探討

李云

（山西長治經坊莊子河煤業有限公司，山西 長治 047100）

山西長治經坊莊子河煤業有限公司位于國家規劃礦區沁水煤田長治礦區東南區[1]，現階段主采15#煤層，現有回風大巷的支護方式主要按照采礦工程設計手冊進行理論分析[2]，同時結合相鄰礦井開拓巷道支護方式進行工程類比的方法進行設計，根據初步設計提供的開拓巷道支護方案進行支護，沒有及時結合本礦井的工程實際及時修改巷道支護參數。

根據山西長治經坊莊子河煤礦在掘進15#煤層開拓巷道時實際揭露其直接頂為石灰巖，同時依據長治礦區其它煤礦 15#煤石灰巖堅硬頂板時的開拓巷道支護經驗[3]，通過對山西長治經坊莊子河煤礦15#煤層頂板進行詳細的巖石力學參數測試工作，及現場窺視確定15#煤層頂板巖層裂隙分布，為經坊莊子河煤業15#煤層開拓巷道支護參數優化提供所需的基礎參數，實現合理的支護參數設計，保證山西長治經坊莊子河煤礦開拓巷道高效、安全使用，同時有效降低支護成本，提高掘進工作現場施工進度[4]。

焦積潤等[5]學者通過工程類比的方法，從經濟合理性與工程施工進度等方面出發，針對華陽煤業厚石灰巖頂板下15#煤層軌道大巷支護方式進行了優化設計。常江陽[6]等學者利用理論分析、數值模擬的方法，分析了厚堅硬頂板條件下大斷面巷道圍巖破壞情況與應力分布，優化了關嶺山煤業15#煤層回風大巷的最優支護方案和支護參數。

很多學者對堅硬頂板下的開拓巷道合理支護問題進行了研究[7]，但對于現場巷道圍巖破壞情況及裂隙發育研究甚少，從巷道圍巖本身破壞情況出發的巷道支護優化研究幾乎沒有。本文通過現場調研、現場窺視及工程類比的研究方法對堅硬頂板下經坊莊子河煤業有限公司15#煤層回風大巷支護方式與支護參數進行研究。

1 工程概況

山西長治經坊莊子河煤業有限公司位于山西省長治市，主可采煤層為15#煤層，位于太原組下部，直接頂為K2石灰巖，底板為砂質泥巖或泥巖。15#煤層平均厚度3.60 m，一般含0～1層夾矸，局部含2～3層夾矸，煤層結構較簡單，全區穩定可采。

井田受區域構造影響，總體上是以寬緩的褶曲為主，在此基礎上發育了次一級的褶曲和小斷裂，伴有少量陷落柱，未發現巖漿巖侵入。構造屬簡單類。

15#煤層回風大巷設計為矩形斷面，寬度為5.8 m，高度為4.3 m，頂板石灰巖厚度穩定，完整性好，巖性堅硬，是一層穩定的巖層，是阻止上覆地層壓力下傳的關鍵巖層。

2 圍巖穩定性確定

查閱相關資料，確定利用WQCZ-56型鉆孔觸探儀，在回風井附近，布置4個測站，對15#煤層回風大巷圍巖進行原位巖石力學強度測試。觀測巷道采用CXK-12型礦用鉆孔成像儀對進行圍巖破壞范圍與裂隙發育程度進行觀測。在測量時，應選取遠離構造帶的區域，盡量避開巷道群，具有良好的通風、供水、供電、運輸條件以及巷道幾何參數滿足打鉆要求的巷道。測站位置見圖1。

圖1 回風井井底1至4號窺視孔布置

2.1 圍巖強度確定

對經坊莊子河15#煤層回風大巷圍巖力學測定，并進行測量數據整理，可得到其圍巖力學參數如表1所示。

匯總四個測站巷道圍巖鉆孔成像資料，圖2（a）、（b）為1號窺視孔窺視截圖，在巷道頂板上方6.323 m處存在破碎夾層，7.144 m處存在較大裂隙；圖2（c）、（d）為2號窺視孔窺視截圖，在巷道頂板上方4.045 m處存在橫向裂隙，6.659 m處存在傾斜裂隙；圖2（e）、（f）為3號窺視孔窺視截圖，在巷道頂板上方5.562 m處存在傾斜裂隙，6.960 m處存在傾斜裂隙；圖2（g）、（h）為4號窺視孔窺視截圖，在巷道頂板上方3.122 m處存在豎向裂隙，6.089 m處存在較大豎向裂隙。

通過鉆孔窺視影像分析可知，15#煤層回風大巷巷道直接頂為4.04～6.91 m的K2石灰巖。本層石灰巖厚度變化不大，巖層有較強的完整性，巖層巖石力學參數穩定且比較堅硬，巖層原位抗壓強度達到了63.2 MPa，抗拉強度為3.41 MPa，空隙率僅為2.27%，綜合判斷為不易軟化性巖石，是一層穩定的巖層，是阻止上覆地層壓力下傳的關鍵巖層；K2石灰巖之上為灰黑色泥巖或砂質泥巖，巖層賦存為層狀，砂狀泥質結構，并隨著孔深增大含砂質顆粒增加，局部變化為粉砂巖。厚度變化起伏不大，一般為0.824 m。自然抗壓強度為22.1 MPa，抗拉強度為2.92 MPa。通過鉆孔窺視影像分析，這層巖層出現較多的裂隙、節理、離層帶和破碎帶，說明受礦壓影響較大，自身殘余強度較低，由于其下巖層為厚度較大的致密K2石灰巖，該石灰巖強度大，穩定性完整好，能夠有效控制這層破碎帶。泥巖之上為灰色-灰白色砂巖，主要由粉砂巖、細砂巖和中砂巖組成，砂質顆粒結構，厚度穩定，完整性好，巖性堅硬，抗壓強度為60 MPa。

2.3 15#煤層回風大巷錨桿支護原則

根據前面的分析以及15#煤層回風大巷實際條件，確定巷道頂板支護應采用彈塑性穩定狀態的原則，巷道兩幫支護應采用松動性穩定狀態的原則。其具體錨桿支護原則如下：

（1）頂板錨桿支護原則：根據頂板巖性特征，采用組合梁理論和擠壓加固理論相結合的方法，確定合理的支護方案。利用錨桿、金屬網、噴射混凝土聯合支護的形式，使巷道圍巖形成組合梁結構結構，增強頂板承載能力，保障圍巖穩定。

（2）兩幫錨桿支護原則：根據兩幫圍巖較為破碎的實際情況，兩幫的錨桿支護采用擠壓加固理論和整體錨固理論相結合的方法。利用錨桿、金屬網、噴射混凝土聯合支護的形式，使兩幫圍巖形成整體結構，減小兩幫變形，防止出現片幫等安全事故。

圖2 鉆孔窺視成像截圖

2.4 15#煤層回風大巷巷道支護參數確定

根據前面的分析結果，應當充分利用經坊莊子河煤業15#煤層回風大巷巷道頂板賦存的厚層堅硬石灰巖巖層，通過錨桿、金屬網、噴射混凝土聯合支護的形式，確保頂板巖層處于穩定狀態，同時強化表面整體支護手段。確定支護參數為：

頂板支護：采用Φ20mm×2000mm的M22螺紋鋼錨桿，間排距為頂1000mm×1000mm，每排布置6根，兩側錨桿向兩幫傾斜10°，其余垂直頂板布置，無錨索，采用Φ6鋼筋焊接網，網片尺寸為5.8 m×1.1 m，噴射強度為C20的混凝土，噴射混凝土厚度為150mm。

兩幫支護：采用Φ20mm×2000mm的M22螺紋鋼錨桿，間排距為頂900mm×1000mm，每幫每排布置5根，頂部錨桿距離頂板300mm，向頂板傾斜10°，底部錨桿距離底板400mm，向底板傾斜10°，其余垂直巷幫布置，采用Φ6鋼筋焊接網，網片尺寸為4.2 m×1.1 m，噴射強度為C20的混凝土，噴射混凝土厚度為150mm。

巷道支護斷面見圖3。

圖3 巷道支護方案

3 結語

根據經坊莊子河煤業實際地質情況，利用現場觀測和理論分析的方法，對其回風大巷圍巖控制進行分析研究，得到以下結論：

1）通過鉆孔窺視影像分析可知，15#煤層回風大巷巷道直接頂為4.04～6.91 m的K2石灰巖，巖層有較強的完整性，巖層巖石力學參數穩定且比較堅硬，巖層原位抗壓強度達到了63.2 MPa，抗拉強度為3.41 MPa，綜合判斷為不易軟化性巖石，是一層穩定的巖層，是阻止上覆地層壓力下傳的關鍵巖層

2）充分利用15#煤層上覆堅硬頂板高強度及穩定性，給出合理的支護參數為：錨桿Φ20mm×2000mm的螺紋鋼錨桿，間排距為頂900mm×1000mm，無錨索，噴射混凝土強度為C20，噴射混凝土厚度為150mm。

〔1〕黃岑麗.潞安礦區煤炭開采對地質環境影響的研究[D].中國礦業大學（北京），2013.

〔2〕任春星.耿村礦失穩巷道耦合加固技術研究[J].中州煤炭，2016（7）：85-88+124.

〔3〕鞠文君，付玉凱.我國煤礦巷道支護的難題與對策[J].煤礦開采，2015，20（6）：1-5.

〔4〕李占彪.大斷面永久硐室支護技術研究[J].陜西煤炭，2015，34（4）：37-39.

〔5〕焦積潤，趙 雷.華陽煤業開拓巷道支護實例研究與分析[J].山東煤炭科技，2016（3）：38-39.

〔6〕常江陽，張東峰.堅硬頂板大斷面巷道的破壞機理及合理支護研究[J].煤炭技術，2014，33（7）：109-112.

〔7〕劉 三，查文華，張 亮，等.堅硬頂板下巷道支護參數優化分析[J].煤炭技術，2017，36（1）：84-85.