復雜地質條件下掘進工作面頂板控制技術

＊李富元

（山西汾西礦業（集團）公司曙光煤礦 山西 032308）

引言

煤礦生產中巷道的頂板控制非常重要。在特殊地質條件下的頂板控制主要是巷道掘進支護技術的一項改進。特殊地質條件下的巷道支護技術改變了工作面冒頂事故發生的可能性。本文以某煤礦為研究實例，在面對不同地質條件對頂板控制時，如何在不同地質條件下進行掘進，以及相應的潛在事故風險，分析如何合理選擇。通過分析特殊地質條件下工作面的頂板控制技術，促進煤礦安全發展。

1.煤礦生產的地質環境

某礦的采區軌道下山具有580m的下坡距離和15°坡度的傾斜角。巷道120m的上部位于第七煤層的8-12m，下部280m位于10-15m。中心部分與DF229斷層的交匯點下降20m，巷道相交超過5m的交點下降。掘進從頭到尾一共要做4次揭穿煤層的工作。7煤層的厚度在1.62-4.50m的范圍內，平均厚度約為2.9m，坡度在12-17°的范圍內，平均坡度為13°。煤層上方的煤層厚度約為為0-0.21m的泥巖，大多數泥巖是深色的。與之相對的它的直接頂更厚，大約為6.27-8.7m。但是，這些直接頂的顏色非常特殊，很淺，主要是白色或灰白色，基本上是粉砂巖。與其他巖石相比，該粉砂巖具有更凌亂的質地，更穩定的結構和中等大小的顆粒。巷道周圍的巖石具有許多特征。與其他巖性相比，巖性相對較差，巷道本身具有較高的壓力以及相對較高的地面壓力，因此所使用的頂板支護也非常特殊。

2.巷道的冒頂原理及分析

從當前的巷道轉彎設計來看，大多數巷道支護方法都依賴于其自身的變形特性。在巷道的變形結構中，大部分初始支護都由木制頂板支護，對爆破后的順暢處理以及礦山巷道的實際情況進行詳細分析。應沿巷道延伸方向分析巷道破壞的形式。有必要考慮圍巖壓力對巷道的影響以及頂板控制對巷道總長度的影響。一些特殊區域特殊處理，對于由頂板支護的零件，在完成設計后，必須完成其他支護工作。

軟巖巷道的力學性能主要表現在膨脹、變形等方面。從這些方面，有必要選擇一個相對合適的支護計劃。根據周圍巖石的組成和可擴展性，可以合理地完成巷道的布置和支護。在選擇支護參數時，有必要考慮圍巖的壓力，研究巷道支護形式的壓力和共同發育，并根據礦物類型和溶脹特征合理選擇支護形式。為了提供對煤礦巷道當前狀態的全面分析，合理的支護參數應包括錨桿支護參數的選擇。典型的螺栓和壓接板支護件是可控間距800mm×1000mm的管縫螺栓支護。螺栓放置方法為3種樣式，考慮到噴涂混凝土的量，柵格規格為30mm×30mm。

圖1 軟巖巷道的力學性能示意圖

3.巷道頂板支護具體設計方案

根據上述實地調查數據和與超大斷面巷道有關的情況，將對具體方案進行科學分析，提出螺栓、網、鋼帶的系統化綜合支護方案，并提出系統化支護方案。煤結構的地質結構可以有效優化和改善圍巖對周圍巷道的影響，確保巷道施工過程中的可靠性、穩定性和安全性。在巷道工作面上應用高強度預應力螺栓，并結合系統的鋼帶、金屬網支護方法，在鋼帶，金屬網和螺栓固定力的共同作用下，將工作面頂板的巖石逐漸形成整體。這樣不僅提高了穩定性，又能提高支護能力，即帶有復合梁的集成剛性支護。同時，兩側都可以用作穩定的支護點，并且工作面的壓力通過上述復合梁傳遞到巷道兩側的較深區域。在巷道的高低兩側使用圍欄網，鋼帶和錨桿的雙阻力復合支護系統。金屬網的作用在螺栓之間的礦體中形成了一個緊密的網穴，該穴與鋼帶結合使用，實際上將所有螺栓連接在一起，并且可以大大改善支護能力。

(1)具體施工方案

①選擇六根全螺紋高強度鋼預應力螺栓+4500mm長的M5鋼帶和開口較小的金屬網作為頂板，以實現接頭支護。錨桿的長度為2400mm，直徑為20mm。每個錨桿都有一個直徑為28mm的孔。同時，錨桿之間的距離和行距分別為900mm和650mm。在巷道的低端區域，選擇三個帶有2000mm螺釘和2000mm長的M5鋼帶和鋼制支護板的直徑為2000mm的左手鋼螺栓，以實現雙重阻力組合支護。其中，錨桿之間的距離和行之間的距離分別為950mm和650mm。

②巷道高側選擇5根左旋螺紋鋼螺栓，長度為2000mm，直徑為20mm，以及M5鋼帶和長度為3500mm的鋼桿網。聯合支護。螺栓到螺栓的距離和行距分別為900mm和650mm。下角螺栓巷道的方向是向上和向下30°。工作面附近的螺栓應沿著斜坡正確放置。

(2)技術要點和施工方法

該超大斷面巷道工作面支護工程的施工計劃主要過程為：巷道鉆探-采煤-工作面金屬網和鋼帶壓力網-臨時支護頂施工，螺栓支護工作-兩排吊鋼和鋼帶壓緊網和雙反網-兩個成組的左手用螺栓固定的鋼制螺栓支護。

①鋪設材料的特殊要求：從工作面的中心向兩側橫向展開，兩側的材料超過了肩托，上部的材料超過了下角。同時，在鋪設網長度應為120mm或更大，扣環之間的距離不應超過120mm，以有效地確保相關性。滿足強度要求并確保閉合連接符合性。

②與鉆孔有關的質量標準：孔的垂直度必須保持在較高水平。在更換鉆桿的過程中，鉆探設備的位置必須保持不變，并且必須保持中心線。深度應盡可能準確。要完成鉆桿的構造，使用與錨桿長度相同的鉆桿，并且誤差應控制在20mm以內。孔壁嚴格清潔。在完成所有工作以確保孔的壁（尤其是基坑）沒有雜質后，應使用清水反復清洗孔的內部，直到內部沒有煤石為止。

③與螺栓安裝有關的質量要求：首先，必須完全滿足頂板作業的要求，并且為了滿足螺栓的高強度預緊要求，啟動板機要進行二次預緊。確保滿足螺栓要求。其次，應及時進行混合過程，直到以恒定速率攪拌孔的底部，以使總混合時間超過30s。足以確保固化后50s可以將樹脂擰緊。

④在錨桿上施加二次扭轉。錨索的安裝質量要求：首先，在實際鉆錨索的過程中，必須對鉆孔直徑要求，錨索直徑和拖曳線圈直徑進行系統合理的匹配。其次，孔的深度必須合適；深度不能太大或太小而不能暴露超過250mm的鋼絞線；最后，在加工過程中必須垂直，以免造成人為錯誤進行鉆探時，搖晃鉆機設備，使直徑超出需求。

(3)頂板離層儀安裝管理標準

①頂板離層儀的安設由施工單位驗收員全面負責。

②頂板離層儀實行掛牌管理，牌板吊掛行人側（牌版距頂板離層儀前后不超過5m范圍）。觀測、記錄由驗收員負責，數據分析由隊技術人員負責，牌板要動態保持干凈，字跡清楚工整。

③出現離層儀顯示的數值超過危險區最大值、頂板離層儀損壞、離層數值不清等情況的應重新安裝頂板離層儀。新安裝的離層儀離層量要與前期的離層量取和進行記錄。

(4)頂板離層觀測管理標準

①安裝10天內每天觀測一次，10天后每旬觀測一次，技術負責人要把每個測點每月觀測數據進行整理存檔備查。

②頂板下沉量及下沉速度界限值：巷道施工后10天內，下沉量應小于50mm，下沉速度小于5mm/d。巷道施工后50天內，下沉量應小于100mm，下沉速度小于2mm/d。

③當監測數據超過頂板離層界限值時，區隊技術負責人應立即向礦生產科分管科長及總工程師匯報，分析原因并及時采取措施加強巷道支護。對淺基點的離層，要立即加大支護密度，補打錨桿和錨索梁加強支護。對深基點的離層，要加密加長錨索或采用金屬支架加強支護。

(5)實施效果

經過60多天的現場觀察，對項目聯合支護計劃實施后的數據進行了觀察。從頂板位移的分析結果和錨索力數據可以看出，頂板最大總移動量為50mm，最大移動速度為35mm，最大移動速度為3mm/d。

4.結論

如上所知，頂板控制對于煤炭生產非常重要。面對復雜多變的地質條件，如何減少發生工作面事故的可能性。這對工作面進行適當的控制可以預先檢測結構的狀況，預先注入化學漿液并增強破碎區周圍巖層的穩定性，從而有效地控制礦井頂板，從而可以提高礦井的安全性。