堅硬頂板下15102回風順槽圍巖控制技術

楊 勇

（晉能控股煤業集團神農煤礦，山西 高平 048400）

1 概況

錨網索支護技術具有施工速度快、成本低、支護效果好等優點，已廣泛應用于我國大中小礦井，甚至某些煤礦實現了百分之百的應用[1-5]。

神農煤業15102回風順槽位于井田一采區南部，東部為實體煤，北鄰15101回采工作面（未初采），西部為礦井3條采區大巷（軌道、膠帶、回風），南部為措施井集中回風巷。巷道由15102回風順槽運輸聯巷向東延伸掘進（方位角90°），巷道沿15#煤層頂板掘進，采用綜掘，工作面標高+740～+785 m，地面標高+1090～ +1170 m。圖1為巷道采掘工程平面圖。結合附近ZK1鉆孔，15#煤位于太原組下部K2灰巖之下，煤厚一般1.90～5.10 m，均厚3.79 m，煤層結構簡單，一般含0～1層泥巖夾矸，厚0～0.35 m。煤層直接頂賦存0.8～1.2 m的砂質泥巖；基本頂賦存堅硬的K2灰巖，厚度9.51 m以上，其堅固性系數在15以上；底板主要由深灰色粉砂巖、砂質泥巖、泥巖組成，局部含鋁質泥巖及煤層，含豐富黃鐵礦結核，厚3.35～10.82 m，均厚7.22 m。根據試驗巷道生產地質條件和采掘等設備型號尺寸，設計巷道為矩形斷面，掘進寬度為4500 mm，掘進高度為4000 mm。

圖1 試驗巷道采掘工程平面圖

2 堅硬頂板下15102回風順槽圍巖控制技術

2.1 試驗巷道圍巖控制思路

基于神農煤業15102回風順槽生產地質條件，提出適用于試驗巷道的圍巖控制思路，具體如下：

（1）高強度及時主動支護

試驗巷道掘出后，巷道圍巖由三向約束受力狀態轉化為雙向約束單向自由的受力狀態，在圍巖表面未施加支護約束時，巷道淺層圍巖碎脹破壞嚴重，甚至誘發深部圍巖的變形破壞。為此，應采用高強度的支護材料，采用主動控制技術，及時實現巷道表層圍巖的支護約束，形成高強主動控制結構，避免巷道掘進初期出現的圍巖大變形現象。

（2）充分發揮堅硬頂板巖層的承載能力

試驗巷道基本頂賦存堅硬的K2灰巖巖層，厚度9.51 m以上，其堅固性系數在15以上，其力學性質及承載性能良好。巷道支護時應充分發揮K2灰巖基本頂自身的承載能力，利用形成的高強主動控制結構，促使支護結構與堅硬頂板巖層的協同控制，從而實現堅硬頂板下巷道圍巖良好的控制效果。

2.2 試驗巷道圍巖控制方案

基于神農煤業15102回風順槽生產地質條件及其圍巖控制思路，開發堅硬頂板下15102回風順槽圍巖控制方案。圖2為回風順槽支護斷面圖，具體支護參數如下：

圖2 巷道支護斷面圖

（1）頂錨桿材料規格與布置方式。采用規格Φ20 mm×2400 mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距設計為1000 mm×1000 mm，錨固力不小于120 kN，預緊扭矩不小于250 N?m。高強度高預緊力錨桿支護促使圍巖形成高強主動支護結構。

（2）幫錨桿材料規格與布置方式。巷道南幫（非回采幫）采用Φ18 mm×2000 mm的高強螺紋鋼錨桿，北幫（回采幫）采用Φ20 mm×2000 mm高強玻璃鋼錨桿，錨桿間排距1100 mm×1000 mm，其中螺紋鋼錨桿錨固力不小于100 kN，預緊扭矩不小于200 N?m，玻璃鋼錨桿錨固力不小于40 kN，預緊扭矩不低于70 N?m。

（3）錨桿托板規格。螺紋鋼錨桿配套規格為150 mm×150 mm×10 mm的鋼制預應力托板，玻璃鋼錨桿規格為150 mm×150 mm×10 mm的塑料制預應力托板。

（4）錨桿錨固劑規格。每根錨桿配套K2335、Z2360型錨固劑各一支，可保證將巷道頂板淺部巖層錨固至基本頂。

（5）金屬網規格。頂網采用直徑為6 mm鋼筋焊接而成的盤條網，網格100 mm×100 mm，規格1100 mm×2300 mm；南側幫（非回采幫）采用12#鐵絲編織而成菱形網，北側幫（回采幫）采用夾筋塑料網，網格大小60 mm×60 mm，網片規格為1100 mm×3800 mm。

（6）錨桿梯子梁規格。頂板及南側幫（非回采幫）螺紋鋼錨桿采用直徑Φ12 mm整根鋼筋焊接而成的梯子梁成排連接，鋼梁上設計錨桿卡欄。

（7）頂錨索材料規格與布置方式。錨索采用Φ17.8 mm×4200 mm的預應力鋼絞線，配套規格300 mm×300 mm×20 mm鋼制預應力托板，間排距1600 mm×3000 mm，每根錨索均采用端頭錨固，每根錨索配套3根錨固劑（1支K2335、2支Z2360），將形成的高強主動支護結構錨固至 K2灰巖巖層，充分發揮圍巖自身的承載性能。

3 圍巖控制效果分析

將開發的堅硬頂板下15102回風順槽圍巖控制技術應用于現場。現場應用后，每隔50 m布置一個巷道圍巖位移觀測站，采用十字測試法監測巷道圍巖變形。圖3為試驗巷道掘進5個月（150 d）的圍巖變形情況。如圖所示，15102回風順槽掘進初期（60 d），巷道圍巖發生了較大的變形。該階段頂板累計下沉117 mm，移近速度約為1.95 mm/d；底板累計變形135 mm，移近速度約為2.25 mm/d；北幫（回采幫）累計變形99 mm，移近速度約為1.65 mm/d；南幫（非回采幫）累計變形90 mm，移近速度約為1.5 mm/d。之后隨掘進時間的推移，巷道形成穩定的支護結構，圍巖變形速度明顯降低，并在巷道掘進110～120 d后圍巖變形趨于穩定。此時頂板累計下沉161 mm，底板累計變形185 mm，北幫（回采幫）累計變形134 mm，南幫（非回采幫）累計變形121 mm。由于底板未進行支護，其變形量最大，南幫支護強度大于北幫，因此南幫變形量小于北幫。整體來說，回風順槽的變形情況均在可控范圍內，同時結合現場實地考察結果，試驗巷道服務期間未發生明顯的大變形現象，證明了堅硬頂板下15102回風順槽圍巖控制技術和參數的合理性和優越性。

圖3 巷道圍巖移近曲線

堅硬頂板下15102回風順槽圍巖控制技術實現了神農煤業15102回風順槽的穩定控制，避免了因巷道變形造成的巷道多次修復工作，節省巷道修復人工費用和材料費用近30萬元，避免了因巷道斷面尺寸達不到服務要求造成的工作面停產，從而影響礦井高效正常回采，給礦井生產帶來了顯著的間接經濟效益。

4 結論

錨網索為核心的主動支護技術具有施工速度快、成本低、支護效果好等優點，以神農煤業15102回風順槽頂板賦存堅硬巖層K2灰巖為工程背景，提出了以高強度及時主動支護、充分發揮堅硬頂板巖層的承載能力為核心的試驗巷道圍巖控制思路。基于此，開發了神農煤業堅硬頂板下15102回風順槽圍巖控制技術。現場應用后，其變形結果顯示，由于底板未進行支護，其變形量最大，南幫支護強度大于北幫，因此南幫變形量小于北幫。整體來說，試驗巷道服務期間未發生明顯的大變形現象，證明了堅硬頂板下15102回風順槽圍巖控制技術及參數的合理性和優越性。