深部動壓巷道冒頂原因分析及支護對策研究

王彬宇

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

新景公司井田隸屬于山西省陽泉市陽煤集團，位于陽泉市區的西部，距離市中心大約11 km，井田的面積大約為64.747 km2。核定生產能力達5.0 Mt/a，服務年限為85a。目前主采3#、8#、15#煤，15#煤層為厚煤層，采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。

新景礦15#煤回采巷道的圍巖控制一直是本礦的技術難題，傳統施工工藝是沿底板托頂煤掘進施工，采用的支護形式是頂板全錨索+兩幫錨桿錨索支護。由于受埋深和應力及回采期間周期來壓的影響，該類型巷道經常出現局部冒頂情況。為了解決這一難題，新景礦在傳統施工工藝上進行了優化和改進。巷道掘進層位改為上層沿頂板掘進，支護形式采用了高預應力錨網支護。雖然保證了掘進期間的安全施工，但回采期間，受周期來壓的影響，還是出現了局部冒頂的現象。根據現場情況，結合相關資料進行分析，找出冒頂原因，并提出新的支護方案和建議，保證掘進和回采工作的順利進行，是勢在必行的工作。

1 巷道概況

15028綜放工作面煤層埋深平均460 m，開采15#煤層，煤層厚度平均為6.66 m，煤層傾角平均為8°，直接頂為0.8～6.4m厚的泥巖，基本頂為5.4～13.96 m厚的K2石灰巖。工作面位于一采區東南部，東為三礦礦界，西為15009工作面，北為80204工作面采空區，南為15029工作面。15028回風巷沿15#煤直接頂掘進，掘進斷面為5.2m×3.1 m。見圖1。

圖1 15028工作面平面布置

2 15028回風巷支護方式

2.1 頂板支護

頂錨桿使用Φ20 mm×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為940mm×800mm，每排6根，頂部錨桿垂直于巷道頂板（肩窩錨桿斜向幫部與垂直方向夾角為不大于15°），配套使用W形鋼托盤、減摩墊圈，W形托盤規格為140mm×250mm×10 mm，采用一支MSCK23/80樹脂錨固劑；頂錨索使用為Ф21.6 mm×6200mm，1770級低松弛鋼絞線，間排距為1880mm×1600mm，每排2根，配套使用鎖具、300 mm×300mm×16mm的碟形托盤、減摩墊圈、球形墊圈，錨索藥卷使用一支雙速MSCK23/120樹脂錨固劑；頂板鋪設10#菱形金屬網和6眼W鋼帶，菱形金屬網規格長×寬：5500mm×1000 mm；W鋼帶采用眼距為940mm的6眼BHW-940-220-4-5200 mm鋼帶（見圖2）。

圖2 15028回風巷支護斷面

2.2 巷幫支護

巷道兩幫采用Φ20 mm×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為850mm×800 mm，每排4根，錨桿垂直于幫部墻體，配套使用碟形托盤、減摩墊圈、球形墊圈，碟形托盤規格為150 mm×150 mm×10mm，中心孔徑大于錨桿直徑1.5～2.0 mm，采用一支MSZ23/80樹脂錨桿錨固劑；實體煤幫不打錨索，煤柱幫錨索使用Ф17.8 mm×5200 mm，間排距為1100mm×1600 mm，錨索與錨桿布置在不同排，每排2根，配套使用鎖具、300mm×300 mm×16mm的碟形托盤、減摩墊圈、球形墊圈，錨索藥卷使用一支雙速MSCK23/120樹脂錨固劑；兩幫鋪設10#菱形金屬網和Ф12 mm圓鋼制作的鋼筋梯子梁，菱形金屬網規格長×寬：3100 mm×1000 mm；幫錨桿豎向鋼筋梯子梁規格長×寬：1950 mm×70mm，兩幫上部3根錨桿用梯子梁豎向連接，最下面一根錨桿用梯子梁橫向連接，橫向錨桿及錨索鋼筋梯子梁規格長×寬：1850 mm×70 mm，每兩根錨索在沿巷道走向上用梯子梁橫向連接，梯子梁相互搭接（見圖2）。

錨索預緊力要求為300kN，錨桿錨固力為105 kN，錨桿扭力矩為300N·m。

3 15028回風巷冒頂情況

3.1 巷道冒頂位置

15028工作面目前已回采80m，進入80204工作面殘余支承應力影響區內，回風巷護巷煤柱寬度為20m，回風巷冒頂區域距離15028工作面約150 m，巷道冒頂長度14m，寬度3.5m，高度2.5 m，冒頂區域主要為直接頂，巖性為強度較小的泥巖。

3.2 巷道冒頂后整體狀態

15028回風巷冒頂區域位于工作面前方約150 m，巷道冒頂長度約為14m、寬度3.5 m，冒頂高度約為2.5 m，冒頂層位為直接頂（泥巖），頂板冒落后巷道近似“拱形”，最高冒頂位置大致位于巷道頂板中部，見圖3。

圖3 巷道冒頂后狀態

3.3 錨索破壞特征

回風巷冒頂段錨索存在破斷現象，據現場初步勘測，錨索破斷數約為8根，根據井下實拍照片顯示（見圖4），錨索破斷未發現齊口剪斷形式，均為鋼絞線“剝絲”拉斷，且7股鋼絞線斷裂位置存在差異，判定錨索破斷形式主要由于受力過大而被拉斷。

圖4 錨索破斷形式

3.4 錨桿及托板破壞特征

據現場勘查記錄情況分析（見圖5），15028工作面回風巷冒頂段頂板錨桿破壞方式主要有以下3類：

①錨桿拉斷：該種破壞方式的錨桿數量較少，現場觀測僅有1根錨桿存在拉斷現象，斷裂口直徑變細，斷裂平面粗糙。

②錨桿螺母穿托盤：此種破壞方式數量多于錨桿拉斷數量，具體表現為錨桿螺母仍存留在錨桿尾部，螺母穿過托盤后造成錨桿失效產生頂板冒落。

③錨桿螺母脫絲：現場觀測情況顯示，錨桿螺母脫絲現象十分嚴重，脫絲現象主要發生在螺母位置，冒落頂板趨于錨桿尾部車絲部位殘留螺母內絲，此種破壞方式為冒頂段錨桿主要破壞形式。

現場觀測顯示，錨索碟形托盤未發現撕裂破壞現象，中部碟形鼓起完好。錨桿W型托盤變形破壞嚴重，變形后托盤中部碟形骨架基本上被壓平，托盤彎曲內陷嚴重，同時，錨桿螺母存在不同程度的鉆托盤錨桿孔現象。冒落后托盤錨桿孔由圓形變為方形，孔口位置可見明顯的螺母六棱切口。測量現場使用的錨桿托盤厚度為8 mm。

圖5 錨桿及托板破壞形式

4 15028回風巷冒頂原因分析

4.1 工作面前方堅硬頂板斷裂產生動態沖擊

15028工作面回風巷冒落段處于80204采空區側向支承應力影響區域，回風巷護巷保護煤柱為20 m，導致回風巷恰好處于側向支承應力峰值影響區，此外，冒落位置為一褶皺構造向斜底部，為最大主應力作用區域，加之，受15028工作面回采時超前支承應力影響，導致冒頂區域應力疊加程度極高，應力環境復雜。

同時，冒頂區域鄰近80204工作面開切眼位置，為80204采場覆巖垮落不充分區域，15028工作面回采過程中，回風巷在較高集中程度的支承應力影響下發生再次破壞，產生動載沖擊造成回風巷錨索拉斷，為誘發此次冒頂事故的主因。

4.2 錨索支護密度較小，無法抵抗灰巖斷裂后產生的沖擊載荷

15028工作面回風巷冒頂段現場使用錨索排距1600 mm，每排2根，采用“202”布置方式。 巷道冒落前頂板變形量較小，冒頂為瞬間完成的動態沖擊過程，確定錨索支護安全系數時除考慮到高靜壓影響外，應充分考慮強動載沖擊，增大錨索支護密度，抵抗消耗沖擊能量，減少覆巖堅硬頂板破斷動載沖擊時錨索被拉斷現象，避免冒頂事故的產生。

4.3 錨桿桿體及配件強度偏低且不匹配

15028工作面回風巷冒頂段錨桿破壞方式主要以螺母穿托盤和螺母脫絲兩種現象為主，表明采購錨桿配套托盤與螺母強度偏低，此外，設計錨桿托盤為10mm厚，現場采用托盤厚度僅為8 mm，導致托盤強度偏低，同時，托盤錨桿孔加工直徑較大，螺母直徑偏小，現場無法加工配套使用半球形墊圈，導致螺母貫穿托盤錨桿孔的現象產生。螺母強度低則造成螺母受動載沖擊時易產生脫絲現象，脫絲后錨桿失效，加劇頂板冒落范圍。

5 對動壓巷道支護設計優化及整改措施

5.1 加強直接頂（泥巖）賦存情況的勘查工作

由于此次冒落頂板為強度較低的泥巖直接頂，根據礦井綜合鉆孔柱狀圖顯示，直接頂為0.8～6.4 m厚的泥巖，后期支護設計時應加強泥巖賦存狀況的調查，依據調查結果，針對性設計錨桿（索）錨固高度及支護參數。

5.2 優化錨桿（索）支護設計

為有效抵抗和吸收采場堅硬頂板破斷后釋放的動載沖擊能，減少錨桿（索）破斷，避免冒頂事故的發生，后期支護設計時建議使用強度更高的BHRB500型號錨桿，將現使用寬度235mm的W型鋼帶更換為280 mm，配套使用碟形托盤、半球形墊圈、減摩墊圈和等強螺母。

在15028工作面回風巷頂板采取錨索補強支護，尤其是對變形下沉量較大位置，在工作面超前支承應力影響區域內實現錨索補強與單體支護聯合加強支護，保持頂板穩定性。

增加錨索支護密度，將現采用錨索“202”布置方式更換為“212”布置，局部變形嚴重區域或構造區域應及時增加錨桿（索）支護密度，提高支護強度。

在錨桿（索）托盤與螺母（鎖具）之間增加相應強度的讓壓管（見圖6），保證錨桿（索）結構在恒定高阻條件下產生穩定變形，吸收堅硬頂板斷裂釋放的動態沖擊能和圍巖變形破壞能，保持支護結構與圍巖穩定。

圖6 讓壓管及安裝方法

5.3 增加超前支護距離

由于回采巷道服務期間將受構造應力、上工作面側向支承應力及本工作面超前支承應力的疊加影響，應力環境復雜，應力集中程度較高，為有效保證頂板穩定，避免冒頂事故發生，建議增加超前支護距離，將現有超前支護距離由100 m增加至200～300 m，具體距離根據巷道變形及支護結構受力等情況確定。

6 結語

15028回風巷冒頂的主要原因有：支護設計時未加強頂板巖性賦存狀況的調查，未具體分析巷道應力情況；支護設計頂板錨索密度不夠；支護材料及配件強度低且匹配性不高；回采過程中未及時觀測壓力顯現情況并增加超前支護距離。針對以上原因，對動壓巷道支護設計、工藝等內容進行了優化，有效地避免了回采期間堅硬頂板破斷后釋放的動載沖擊能造成的巷道冒頂現象。通過分析和優化，對新景礦該類型巷道的支護起到了指導性作用。