望云煤礦頂板安全控制及跨高比的優化研究

付紅亮

（山西蘭花科技創業股份有限公司望云煤礦分公司，山西 高平 048411）

望云煤礦為瓦斯礦，其綜采面上煤層的平均厚度約為4.4m，煤層的平均深度為603m，井下綜采作業面的平均傾斜角約為4.8°，傾角面的長度為302m，井下可采長度為1174m。該綜采面上地質條件較為復雜，巷道頂板的直接頂為砂巖結構，平均厚度約為4.6m，其巷道的基本頂以泥巖為主，砂巖為輔，平均厚度約為5.6m。在綜采作業過程中瓦斯的相對涌出量約為18.6m3/t，總體上屬于瓦斯煤層。因此為了降低綜采作業過程中的安全隱患，采用了Y型通風系統結構，確保綜采作業的安全性。

由于該綜采面的巷道處在井下采空區域的邊緣，且巷道巖體上具有大量的裂隙，極易導致井下巷道在綜采作業過程中的受力變形，其地質結構特點決定了該礦在井下支護時采用傳統的巷旁支護方案難以達到預期的效果[1]。因此為了提升煤礦井下巷道圍巖受力時的穩定性和抗變形的能力，就需要考慮在采用傳統支護結構的基礎上優化井下巷道斷面形態、合理設置跨高比的方案，提升對頂板的安全控制，降低綜采作業時的振動沖擊對巷道頂板的影響[2]。

1 跨高比對井下巷道頂板控制的影響

為了研究跨高比對煤礦井下巷道頂板控制的影響，本文針對望云煤礦井下巷道的實際情況，對不同跨高比情況下頂板在綜采作業時的受力變形量進行實地測量，結果如圖1所示。圖中r表示跨高比。

由實際測量結果可知，在巷道高度一定的情況下，巷道頂板在受力作用下的最大變形量和平均變形量均隨著跨高比的增加而增大。由圖1（d）可知，當巷道的高度為2m時，隨著巷道跨度的逐漸增加，其頂板受力情況下的變形量基本上呈均勻增加的趨勢；當巷道的高度為3m，巷道的跨度由5m降低到4m時，其巷道頂板的平均變形量降低了約42.7mm，巷道的跨度由4m降低到3m時，其巷道頂板的平均變形量降低了約159.6mm,其變化幅度為之前的3.74倍；當巷道的高度為4m，巷道的跨度由5m降低到4m時，其巷道頂板的平均變形量降低了約36.2mm，巷道的跨度由4m降低到3m時，其巷道頂板的平均變形量降低了約176.8mm，其變化幅度約為前者的4.88倍。由此可說明，當巷道的高度超過3m以后，巷道頂板在受力情況下的變形量隨著跨距的減小會急劇的降低，當其跨高比低于1.1時跨距變化對頂板變形的影響基本消失，因此望云礦在設置跨高比時，選擇跨高比要低于1.1。

圖1 不同跨距及跨高比下頂板變形研究

2 望云煤礦頂板跨高比優化

望云煤礦綜采工作面的煤層的平均采高約為4.1m，綜采巷道的高度為3.7m，在綜采作業期間巷道的實際跨距在3.7～4.1m之間。根據上文對望云煤礦井下實際跨高比對頂板變形的影響研究，在該跨距范圍內，其跨高比在0.75～1.1之間具有最佳的抗變形效果，結合瓦斯礦井下通風風量要求，綜采面的回風巷的截面積不得低于8.2m2。因此綜合井下地質特點及工程特性，最終確定該綜采面巷道的跨高比為0.81，巷道高度為3.7m，跨距為2.99m。

在確定巷道跨高比的基礎上，為了提高井下作業時頂板的安全性，本礦引入了錨索輔助支護[3]，加強對煤礦頂板的安全控制。在頂板采取的錨索加強方式中，將錨索設置為4-3-4的布置結構，每排之間的距離約為800mm，所選用的拉鎖鋼絞線的直徑為22mm，其長度約為6300mm。在支護的過程中將錨索梁的整體向著綜采面的方向進行偏移，偏移量約為1000mm。在對實體煤幫進行加固時采用了錨帶加固的方案，用直徑為20mm的錨桿搭配W5型鋼進行煤幫支護。其井下加強支護結構示意圖如圖2所示。

圖2 望云煤礦頂板安全支護及跨高比優化結構示意圖

3 望云煤礦頂板安全控制及跨高比優化效果

為了對頂板安全控制和跨高比[4]的實際應用效果進行分析，本文對應用以來煤礦井下頂板的變形量進行了監測并繪制了如圖3所示的變形曲線圖。

圖3 優化后巷道頂板變形曲線示意圖

由實際監測結果可知，在綜采面煤壁后側21～80m的區間內，巷道頂板的變形量最為明顯，其頂板的最大變形量達到了21mm/d，其兩幫的變形量達到了34mm/d。在綜采面煤壁后側81～241m的區間內，巷道頂板的變形量基本穩定，最終其頂板的變形量約為591mm，兩幫的變形量約為644mm。在整個過程中頂板的變形量要始終小于兩幫的變形量，完全改變了優化前頂板變形量大于兩幫變形量的情況，顯著提升了井下巷道頂板的穩定性。

4 結論

為了克服望云煤礦分公司綜采面頂板穩定性差、抗變形能力弱的缺陷，本文對望云煤礦不同巷道高度、不同跨距下頂板的穩定性進行了研究，根據實際監測結果針對性地提出了井下頂板安全控制和跨高比優化方案，根據在望云煤礦的實際應用表明：

（1）當巷道的高度超過3m以后，巷道頂板在受力情況下的變形量隨著跨距的減小會急劇的降低，當其跨高比低于1.1時跨距變化對頂板變形的影響基本消失。

（2）綜合井下地質特點及工程特性，最終確定望云煤礦綜采面巷道的跨高比為0.81，巷道高度為3.7m，跨距為2.99m。

（3）優化后頂板的變形顯著小于兩幫的變形量，顯著提升了井下巷道頂板的穩定性。