挖金灣礦巷道頂板的破斷原因分析及控制方案研究

劉 江

（同煤集團挖金灣煤業公司，山西 大同 037000）

挖金灣煤業5133 綜采面所處地質環境較為復雜，煤層厚度 5.81～13.26m，平均為 9.70m，可采性指數Km=1，煤厚變異系數γ=24.1%，為該區主要穩定可采煤層。煤層結構復雜，一般含夾石 2～5 層，局部多達 8 層。夾石單層厚度一般不大于0.40m，煤層頂板多為泥巖，局部為粉砂巖、細砂巖，底板多為泥巖，局部為中細砂巖，頂板穩定性差，在實際生產中經常出現頂板的破斷、垮落，給綜采作業安全造成了極大的影響[1]。為了提升綜采作業的安全性，挖金灣煤業組織了安全改善小組，對5133綜采面巷道頂板破斷的原因進行了分析，提出了以巷內加強支護為核心的改善方案，實際應用表明該加強支護方案具有結構簡單、作業效率高、可靠性好的優點，極大地提升了井下巷道頂板的穩定性。

1 巷道頂板破斷現象及原因分析

5133 綜采作業面的運輸巷為矩形斷面，尺寸為5.2m×3.6m。巷道內頂錨桿之間的排距為900mm，金屬網采用100mm×100mm，錨索直徑為17.6mm，長度為9.2m，設置時與巷道頂板相垂直；巷道兩幫各設置了四組螺紋鋼錨桿，金屬護網結構同樣為100mm×100mm。在實際應用中，其頂板頻繁出現破斷下沉，最大的沉降量約為1200mm，表現為錨桿脫落、鋼索撕裂，特別是在井下綜采面回采震動或者礦壓的影響下，頂板破斷導致出現懸吊煤網兜現象[2]。同時頂板的破斷也會導致巷道兩側煤幫出現較大的垮落現象，造成巷道兩側錨桿脫落、煤幫外鼓等。5133 綜采作業面巷道頂板破斷現象如圖1 所示。

圖1 5133 綜采巷頂板破斷導致支護結構變形示意圖

通過對煤礦井下綜采面地質情況的分析，5133綜采面頂板的破斷主要可分為煤層破斷引起、夾矸層的變形引起以及二者綜合作用下產生的巷道頂板的破斷。經綜合分析，對頂板破斷影響最大的因素包括巷道的寬度、底板巖層的結構強度和頂板支護可靠性三個方面，其共同作用下導致煤層破斷、夾矸層變形，最終導致了煤礦井下巷道頂板的破斷。

2 頂板支護參數優化

根據5133 綜采面的實際情況，結合井下支護的安全性、經濟性和支護效率，采用了錨桿支護+鋼筋網再配合錨索聯合支護的結構。錨桿呈矩形方式排列，每一排設置六組直徑為20mm 的螺紋鋼錨桿，同時設置一組直徑為6.5mm、尺寸為5400mm×1000mm 的鋼筋網支護結構。各個錨桿在設置時必須壓茬處理，搭接長度不少于200mm。在錨桿和鋼筋網搭接的位置，每隔100mm 需要用鋼絲進行鎖緊，每股鎖緊鋼絲繩旋緊不得少于3 扣。

錨索支護時，采用和井下巷道頂板相互垂直的布置結構。錨索支護同樣采用矩形布置方式，每一排設置3 根錨索，錨索之間的距離不小于3m。在支護時采用直徑為21.8mm 的錨索配合π 字型結構的鋼梁進行加固[3]，各個錨索之間的距離設置為1500mm。

巷道非回采側的支護，選擇直徑為20mm 的螺紋鋼錨桿配合菱形金屬護網支護的方案。每排錨桿設置3 根，錨桿之間的距離為1100mm，設置到距離頂板300mm、距離底板700mm 的位置。錨桿設置位置必須進行壓茬處理。在錨桿和鋼筋網搭接的位置，每隔200mm 需要用鋼絲進行鎖緊，每股鎖緊鋼絲繩旋緊不得少于4 扣。

在巷道的回采側幫，采用直徑為27mm 的玻璃鋼錨桿配合雙層塑料護網支護結構。每排設置3 組錨桿，各個錨桿之間的距離為1100mm。5133 綜采面巷道支護結構如圖2 所示。

圖2 煤礦井巷道支護結構示意圖

3 多支護結構控制方案與應用效果

根據煤礦井下的實際地質條件，為了確保5133綜采面巷道頂板的穩固性，在巷道支護結構的基礎上又提出了一種新的多支護結構體聯合控制方案，應對復雜條件下的巷道支護。該聯合支護方案以巷道錨索支護為基礎，形成了以高預應力錨桿支護、單體錨索—桁架錨索與短錨索相互配合的強化支護方案。該多支護結構控制系統整體結構如圖3所示[4]。

圖3 煤礦井下多支護結構體控制體系示意圖

通過對挖金灣煤礦井下5133 綜采面頂板破斷原因的分析，針對性地制定了頂板控制方案，通過對巷道支護方式優化，配合多支護體結構控制方案，實現了對復雜地質條件下頂板支護的有效控制。在挖金灣煤礦的實際應用表明，該支護方案具有支護效率高、經濟性好、材料消耗少的優點，能夠極大地提升井下支護作業效率和支護穩定性。自2018年支護完成后，經過一年的跟蹤測量，巷道內未見有新的頂板破斷、分層現象，極大地提升了煤礦井下綜采作業的安全性。優化后的井下支護情況如圖4 所示。

圖4 5133 綜采面支護結構示意圖

4 結論

為了提升挖金灣煤礦井下5133 綜采面巷道頂板穩定性，提升煤礦井下綜采作業安全性和效率，項目組對井下巷道破斷現象和原因進行了分析，根據分析結果針對性地制定了巷道支護、多支護結構體控制方案，實際應用表明：

（1）對頂板破斷影響最大的因素包括巷道的寬度、底板巖層的結構強度和頂板支護可靠性三個方面，其共同作用下導致煤層破斷、夾矸層變形，最終導致了煤礦井下巷道頂板的破斷。

（2）多支護結構體聯合控制方案，以巷道錨索支護為基礎，形成了以高預應力錨桿支護、單體錨索—桁架錨索與短錨索相互配合的強化支護體系，能夠極大地提升煤礦井下巷道頂板支護的穩定性。

（3）支護方案具有支護效率高、經濟性好、材料消耗少的優點，能夠極大地提升井下支護作業效率和支護穩定性。