汾源煤業(yè)運輸大巷頂板變形及控制研究

董記佩

（霍州煤電集團汾源煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 034000）

1 工程概況

汾源煤業(yè)礦井為低瓦斯礦井，開采的5#煤屬特厚煤層，平均煤厚15.45 m，5#煤層的傾角為23°～27°，平均25°，煤層節(jié)理發(fā)育。運輸大巷沿5#煤層頂板掘進，大巷埋深378～410 m，設(shè)計長度632 m。在掘進過程中將經(jīng)過兩條斷層，分別為H1=2.5 m（斷上）、H2=15 m（斷下）。5#煤層運輸大巷斷面為直墻半圓拱形，直墻高1.5 m、拱高2.2 m，凈寬4.4 m，截面面積14.20 m2。根據(jù)物理力學(xué)實驗結(jié)果，運輸大巷左幫為煤、抗壓強度24.34 MPa，右?guī)突緸槟鄮r、抗壓強度36.84 MPa，頂板多為泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r、抗壓強度29.38 MPa，底板多為泥巖和粉砂巖、抗壓強度33.56 MPa，總體來說圍巖強度較低。

在5#煤層運輸大巷掘進過程中，發(fā)現(xiàn)頂板變形較大，且常有冒頂現(xiàn)象發(fā)生，嚴重影響著巷道圍巖的穩(wěn)定性和施工過程的安全，因此需要制定合理的頂板控制方案。

2 頂板變形特征分析

2.1 頂板變形特征

5#煤層運輸大巷斷面為直墻半圓拱形，頂板初始支護形式為“錨桿+錨索”支護。錨桿為Ф20 mm×2.4 m，間距和排間距均為0.9 m，每個斷面布置5根；錨索為Ф17.8 mm×7.4 m，間距和排間距分別為2.7 m和1.8 m，每個斷面布置2 根，具體支護方式見圖1。

圖1 支護設(shè)計

在5#煤層運輸大巷掘進過程中，分別在距離工作面100 m和200 m位置各布置1 個測站，監(jiān)測其圍巖變形情況，監(jiān)測結(jié)果顯示：圍巖變形主要以頂板變形為主，頂板變形量〉巷幫變形量〉底板變形量，頂板變形量最大達到500 mm。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，巷道頂板變形量較大，極大地威脅著圍巖的穩(wěn)定性。原有的支護方案，不能有效控制圍巖變形，因此需要制定合理有效的頂板控制方案，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 頂板變形原因分析

由以上可知，5#煤層運輸大巷頂板變形較嚴重。分析頂板變形原因有以下幾點：

（1）工程因素。圍巖變形監(jiān)測顯示，離工作面距離越近頂板變形越嚴重。隨著工作面的掘進，頂板變形量不斷增大，變形速率也在逐漸增大。因此，巷道的掘進對頂板造成的擾動是頂板變形的主要原因。另外，掘進巷道的埋深和斷面尺寸也會對頂板變形有所影響。5#煤層運輸大巷埋深378～420 m，屬于較大埋深巷道，巷道圍巖所受的地應(yīng)力越大，頂板就越容易變形。由于5#煤層運輸大巷斷面形狀為直墻半圓拱型，雖然有利于巷道圍巖的穩(wěn)定，但因巷道寬4.4 m、直墻高1.5 m、拱高2.2 m，不僅巷道寬度較大、整個斷面也較大，更易產(chǎn)生頂板變形。

（2）地質(zhì)因素。自然因素包括頂板巖性、物理力學(xué)特性、地下水、地質(zhì)構(gòu)造等因素。根據(jù)工程資料，5#煤層運輸大巷頂板主要為泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，單軸抗壓強度29.38 MPa，巖性較差、強度低，且遇水易膨脹，易產(chǎn)生頂板變形。地下水源主要為5#煤層頂板灰?guī)r裂隙水，利于疏排，對頂板變形影響較小。在5#煤層運輸大巷掘進中將揭露斷層，由于斷層處構(gòu)造較復(fù)雜，圍巖破碎、強度較低、構(gòu)造應(yīng)力大、穩(wěn)定性差，這也是產(chǎn)生頂板變形的重要原因。

（3）支護因素。5#煤層運輸大巷頂板支護為錨桿（索）支護，支護形式較為單一、整體性差，支護強度低，在松散破碎的巖體中，單一的支護形式不能有效地控制頂板變形，很難達到理想的支護效果，常有冒頂?shù)惹闆r發(fā)生。

3 控制頂板變形的支護方案

頂板控制方案

由以上分析可知，頂板變形主要受工程因素、地質(zhì)因素、支護因素影響。工程因素中，巷道掘進方式、斷面形狀尺寸及巷道埋深均是不可控因素；地質(zhì)因素中，頂板巖性及物理力學(xué)特性也是不可控因素；支護因素中，支護形式是可控因素。因此，要控制頂板變形，主要從支護因素出發(fā)，設(shè)計合理的支護形式，制定頂板控制方案。

由于5#煤層運輸大巷頂板較破碎，可以通過注漿的方式對頂板進行加固，使破碎的頂板巖體粘結(jié)成為完整的巖體［1-2］，并采用“錨桿（索）+金屬網(wǎng)+ U型鋼支架”的方式對頂板進行支護。

3.1 注漿加固頂板

為確保更好的注漿效果，增大注漿加固范圍，設(shè)計注漿孔深6 m，其中注漿段5 m、封孔段1 m，注漿孔距離巷幫水平距離為1 m、傾角60°，孔排距3 m、交叉布置，注漿管徑2.5 cm，水灰比0.5，注漿壓力3 MPa。注漿孔設(shè)計見圖2。

圖2 注漿孔設(shè)計

3.2 增大錨桿直徑，提高錨桿支護強度

錨桿間排距取0.8 m，直徑取22 mm，材質(zhì)為螺紋鋼，安設(shè)扭矩不小于140 N·m。

3.3 縮小錨索間排據(jù)，提高錨索支撐力

錨索雙排布置，間距取2.4 m，排距取1.6 m，直徑17.8 mm，材質(zhì)為鋼絞線，預(yù)緊力不小于90 kN，每個斷面頂板布置兩根。

3.4 U型鋼支架

U型鋼支架選用“直腿+半圓拱”型，斷面內(nèi)為2個節(jié)點、3 段支架。

3.5 金屬網(wǎng)

金屬網(wǎng)格尺寸為80 mm×80 mm，每片金屬網(wǎng)尺寸為3 m×1.2 m，材質(zhì)為焊接圓鋼，直徑4 mm。

最終確定5#煤層運輸大巷的支護方案見圖3。

圖3 支護方案優(yōu)化

4 效果分析

在實施頂板控制方案后，分別在5#煤層運輸大巷距離掘進工作面100 m和200 m位置各布置1 個測站，監(jiān)測其圍巖變形情況，并與實施控制方案之前的頂板變形進行對比，監(jiān)測結(jié)果見圖4。

圖4 實施控制方案后圍巖變形量

由監(jiān)測結(jié)果可知：

1）圍巖變形依舊主要以頂板變形為主，頂板下沉量小于100 mm，相比于實施控制方案之前的最大變形量500 mm，現(xiàn)變形量大幅度減小，頂板變形得到了基本控制。說明頂板控制方案實施效果較好，穩(wěn)定性滿足要求。

2）距工作面距離越近，頂板變形越大［3-4］。說明隨著工作面的推進頂板變形在逐漸增大，巷道的掘進對頂板變形會產(chǎn)生一定影響。

5 結(jié)語

針對汾源煤業(yè)5#煤層運輸大巷頂板變形的基本特征，分析引起頂板變形的原因，制定頂板控制的支護方案，并對圍巖表面變形情況進行監(jiān)測，與實施控制方案前的監(jiān)測結(jié)果進行對比，監(jiān)測結(jié)果顯示，頂板變形得到了基本控制，變形量大幅度減小。