厚硬頂板回采巷道煤幫變形控制技術研究

曹育杰

（山西煤炭運銷集團神農煤業有限公司，山西 高平 048400）

國內一般采用一次采全高綜合機械化采煤方法以實現對厚煤層高產高效開采，然而厚煤層回采巷道空間大，回采過程中受超前集中應力等開采擾動影響，煤幫天然賦存的節理裂隙等結構弱面易進一步發育延展，當支護強度不足時甚至出現煤幫片幫破壞現象。當頂板賦存厚硬巖層時，煤幫成為圍巖承載結構中較為薄弱的部分。針對回采巷道煤幫的穩定與控制，專家學者已獲取大量的研究成果[1-4]。

本文基于對神農煤業15101 工作面回風順槽煤幫變形原因的分析，提出了煤幫錨索補強+注漿改性加固技術，并設計了支護參數，成功地抑制了巷道片幫，保證了工作面的安全高效回采。

1 工程背景

15101 工作面回風順槽位于太原組15#煤層內，巷道位于一采區軌道巷東部，井底變電硐室南部約90 m 處南部與15101 運輸順槽相鄰。該順槽主要擔負15101 采煤工作面回風任務。巷道斷面寬4.6 m，高3.2 m，設計長度498.2 m，沿15#煤層頂板掘進，巷道標高+738～ +780 m，對應地面標高+993～+1000 m。15#煤位于太原組下部K2 灰巖之下，平均厚3.20 m，煤質較為松軟。煤層頂板為K2 灰巖，平均厚度9.51 m；底部為細砂巖，平均厚7.22 m。

由于15101 工作面頂板為厚硬灰巖，且15#煤煤質較為松軟，回采期間受超前集中應力作用，巷道煤幫發生破碎片幫，影響巷道通風和行人運料安全，亟需采取措施控制煤幫顯著變形。

2 煤幫變形控制技術

2.1 煤幫顯著變形原因分析

如圖1 為巷道開挖后煤幫變形破壞示意圖。煤層上覆直接頂為厚硬K2 灰巖，巷道頂板自身具有良好的結構穩定性，抗采動影響能力較強，巖層不易變形破壞。而煤體天然賦存分布著尺寸不一、形態多樣的節理裂隙等結構弱面。巷道開挖后圍巖的應力環境發生改變，由原始的三向應力狀態轉變為兩向應力狀態，在卸荷拉應力的作用下，煤體內的結構弱面進一步發育、延展、貫通，其力學性能不斷劣化，當破壞積累至一定程度時會展現出煤幫外鼓、剝落等現象。此時煤幫承載能力較差，由于淺部巷幫松軟破碎，巷道真實跨度增加。

圖1 煤幫變形破壞示意圖

2.2 煤幫變形綜合控制技術

針對巷道頂板為厚硬灰巖且煤幫松軟破碎這一條件，為控制巷幫變形，提出采用錨索補強+注漿改性加固綜合控制技術保障巷道穩定，可實現改善煤幫承載性能、增強煤體整體完整性、抑制煤體片幫的效果。該技術的出發點為以下幾個方面：

（1）提升煤幫支護系統強度。通過設置高預緊力、加密支護來增加煤幫支護強度，實現主動支護效果，提升煤幫結構整體穩定性，強化承載性能。同時，施加高預緊力對圍巖提供了主動的作用力，使改善圍巖應力環境發生變化，由平面恢復至三向狀態。錨桿（索）插入煤體內部后，能夠貫穿內部發育的結構弱面，通過切向錨固力使煤體整體性加強，改善弱面的力學性質，提高抗變形能力。原支護設計錨桿預緊力為50 kN，預緊力相對較小，現將錨桿預緊力調整為100 kN；原支護設計幫錨桿間排距為900 mm×1000 mm，兩幫各補打兩根錨索增加支護系統密度。

（2）提高煤幫自身強度。由于15#煤層煤體松軟破碎，承載能力差，受開掘及開采擾動煤幫極易出現片幫破壞，因此需要采取注漿的方式改善煤幫承載性能。注漿能夠通過漿液封堵圍巖內結構弱面，將煤體與空氣隔絕，避免進一步風化劣化，能夠防止水對巖石的侵蝕。注漿后將松散破碎的圍巖膠結成整體，提升了煤幫的整體性，改善了煤體的內聚力、內摩擦角等力學性能參數，煤幫抗擾動能力加強，且能夠實現利用本身作為支護系統的一部分。

2.3 控制方案與參數

根據巷道圍巖條件，結合巷道原支護參數（圖2），綜合上述分析與工程類比，確定了片幫控制方案及技術參數，如圖3。

原支護參數：錨桿型號Φ20 mm×L2000 mm，頂板錨桿間排距為800 mm×1000 mm，幫錨桿間排距為900 mm×1000 mm。

補強錨索參數：錨索選用規格為Φ21.6 mm×L7000 mm 普 通 錨 索， 配 備 規 格 為200 mm×200 mm×10 mm 的高強球形托盤。巷幫每排布置2 根錨索，在距底板630 mm 高位置打1 根錨索，錨索間排距為1800 mm×2000 mm。

注漿參數：在安裝錨索時，提前在孔內放置Φ8 mm×L4000 mm 注漿銅管，用封孔材料封孔后，再張拉錨索開始注漿。選擇42.5 硅酸鹽水泥，注漿壓力不小于3 MPa。

煤幫錨索補強+注漿加固工作面需超前工作面100 m 以上開展，遇見構造等圍巖破碎區域，需采取補打單體柱等加固措施。

圖2 巷道原支護方案

圖3 巷道補強支護方案

3 應用效果

采取錨索補強+注漿加固綜合控制技術對巷道煤幫進行加固后，煤幫的力學性能及承載能力被改善和加強，能夠承受上覆巖層載荷，不發生片幫破壞。為驗證補強支護效果，對巷道圍巖變形情況進行了觀測分析，巷道變形情況如圖4。

圖4 巷道變形量曲線

從圖4 中能夠發現：當距離工作面75～100 m 時，此時屬于煤幫錨注加固初期，在采動應力作用下圍巖變形速率顯著，由于此時漿液尚未達到終凝強度，巷道圍巖仍持續變形；當距離工作面30～70 m，此時屬于煤幫錨注加固終凝穩定期，此時漿液達到終凝強度，抗變形能力強，圍巖變形較為緩慢；當進入采面前方30 m 范圍內時，受超前集中應力作用，圍巖變形呈加速趨勢。針對頂底板及兩幫的變形情況進行研究，發現煤幫變形量比頂底板移近量更為明顯，回采側變形量可達126 mm，非回采側煤幫變形量可達98 mm，而頂底板移近量為78 mm。同時，能夠發現注漿達到終凝強度后的抗變形能力強，采動應力對煤幫的擾動破壞較小，盡管進入采面前方30 m 內后變形速率加快，但同注漿初期相比圍巖變形情況仍較緩和，表明綜合加固措施效果良好。針對注漿初期漿液未達到終凝強度，期間圍巖變形大的情況，可通過增大實施地點距工作面的距離增長凝固時間。

基于上述對巷道變形觀測結果的分析，可以得出采取錨索補強+注漿加固綜合控制技術后能夠有效地對煤幫進行加固，改善了煤幫承載性能，抑制巷道發生煤幫變形破壞現象，保證了巷道服務期間的通暢。

4 結論

（1）針對15101 工作面回風順槽煤幫變形破壞這一問題，為抑制幫部變形，提出采取錨索補強+注漿加固綜合控制技術對煤幫進行加固強化。

（2）采取加固措施后，現場實測表明加固效果良好，改善了煤幫承載性能，控制了巷道變形，保障了巷幫穩定。