煤礦井下巷道頂板切頂卸壓支護(hù)技術(shù)的研究

武東雷

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣潤(rùn)東煤業(yè)，山西 晉城 048100）

引言

在煤礦井下綜采作業(yè)過(guò)程中，巷道頂板的穩(wěn)定性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性，隨著煤礦綜采作業(yè)深度的不斷增加，井下地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，巷道頂板應(yīng)力集中大，礦壓波動(dòng)及綜采作業(yè)受擾動(dòng)的情況較多，極易引起頂板變形超標(biāo)、垮塌等問(wèn)題，給煤礦井下的綜采作業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。

因此，本文在對(duì)井下地質(zhì)狀況和支護(hù)形式進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的煤礦井下巷道頂板切頂卸壓支護(hù)技術(shù)，采用恒阻大變形錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，對(duì)補(bǔ)強(qiáng)形式、補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究，確定了最佳支護(hù)方案，并對(duì)優(yōu)化前后巷道頂板的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)監(jiān)測(cè)表明，新的支護(hù)技術(shù)方案能夠?qū)㈨敯逦灰屏拷档?0.6%，將巷道兩幫變形量降低69.5%，有效解決了巷道頂板在應(yīng)力作用下的變形情況，對(duì)提升井下綜采作業(yè)安全性具有十分重要的意義。

1 支護(hù)現(xiàn)狀

以煤礦井下典型不穩(wěn)定地質(zhì)條件為例，其煤層平均厚度約為3.3 m，綜采面的傾斜段長(zhǎng)度為133 m，綜采面的走向長(zhǎng)度為77 m，煤層的平均傾角約為5.2°，煤層的埋深約為405 m。巷道頂板主要是粉砂巖、中砂巖和泥巖的混合層級(jí)，最上面為粉砂巖，平均厚度為1.44m，第二層為中砂巖，平均厚度為2.51m，第三層主要為泥巖，平均厚度為1.66 m。

井下綜采面的輔助運(yùn)輸巷為矩形斷面結(jié)構(gòu)，矩形斷面尺寸為3 100 mm×5 000 mm，支護(hù)時(shí)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，在頂板處每排設(shè)置5組支護(hù)錨桿，設(shè)置支護(hù)錨桿的間距為1 000 mm×1 000 mm，并設(shè)置在巷道頂板接近實(shí)體煤幫的位置，要求支護(hù)錨桿和水平面呈75°的夾角，以確保支護(hù)的穩(wěn)定性，對(duì)于其他位置的支護(hù)錨桿可以采用豎直布置結(jié)構(gòu)。在靠近實(shí)體煤幫的位置，每隔4 000 mm設(shè)置一個(gè)鋼絞線錨索，在巷道兩側(cè)各設(shè)置一組間距為900 mm×900 mm的支護(hù)錨桿，最上側(cè)和最下側(cè)的錨桿與水平面呈15°傾角。

2 恒阻大錨索支護(hù)

2.1 補(bǔ)強(qiáng)形式研究

1）恒阻大錨索是一種新型的具有負(fù)泊松比的新型支護(hù)材料，不僅可以提供較大的支護(hù)阻力并保持支護(hù)阻力的穩(wěn)定性，而且能夠根據(jù)圍巖的變形情況調(diào)整自身的滑移變形，以提高在復(fù)雜地質(zhì)條件下的支護(hù)穩(wěn)定性。在該巷道采用恒阻大錨索進(jìn)行支護(hù)時(shí)，不僅要承受頂板礦壓波動(dòng)的影響，還要承受在綜采作業(yè)期間綜采擾動(dòng)的影響。

在對(duì)多種恒阻大錨索工作情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，最終選擇了HZS35-300型支護(hù)錨索，該錨索的恒阻器長(zhǎng)度為500 mm，最大的允許變形量為350 mm，錨索的恒阻值為30.3 t，錨索直徑為21.4 mm，在工作過(guò)程中，恒阻大錨索和圍巖相互作用的原理如圖1所示[1]。

圖1 恒阻大錨索和圍巖相互作用示意圖

2.2 補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)參數(shù)研究

恒阻大錨索在支護(hù)時(shí)，其長(zhǎng)度將直接影響支護(hù)的效率和安全性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)其支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[2]。

恒阻大錨索的長(zhǎng)度主要取決于支護(hù)區(qū)域巖層的切縫深度，根據(jù)井下巷道頂板的地質(zhì)情況，其巷道頂板上的切縫深度H可表示為[3]：

式中：H1為煤層高度，取3.1 m；ΔH2為巷道頂板下沉量，取0 m；ΔH3為巷道底鼓量，取0 m；K為表示巖層的碎脹系數(shù)，取1.41。

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得H=7.56 m。

為保證巷道頂板在采空區(qū)垮落后頂板圍巖的穩(wěn)定性，在固定恒阻大錨索時(shí)應(yīng)該將其固定在預(yù)裂縫隙深處的穩(wěn)定巖層中。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，恒阻大錨索的長(zhǎng)度應(yīng)該比頂板切縫的深度大2 mm左右，再根據(jù)相應(yīng)錨索規(guī)格[4]，最終選擇的錨索長(zhǎng)度為9 300 mm。

結(jié)合井下巷道現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)，在礦壓波動(dòng)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置兩列恒阻大錨索，第一列錨索和切縫的距離約為600 mm，排距約為2 500 mm，第二列錨索和第一列錨索之間的距離設(shè)置為1 500 mm，排距為2 500 mm，其支護(hù)密度為0.8根/m2，其支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 恒阻大錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

3 應(yīng)用效果分析

為對(duì)優(yōu)化前后的實(shí)際支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，在巷道內(nèi)采用了布點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)巷道頂板和兩幫的變形量進(jìn)行監(jiān)控，優(yōu)化前后頂板和兩幫的變形情況如圖3所示。

由圖3可知，優(yōu)化后巷道頂板的平均位移量約為255 mm，在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的平均位移情況約為177 mm，比優(yōu)化前降低了約30.6%。在優(yōu)化前，巷道內(nèi)兩幫的位移量約為668 mm，在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的平均位移情況約為204 mm，比優(yōu)化前降低了約69.5%。因此可知，采用新的煤礦井下巷道頂板切頂卸壓支護(hù)技術(shù)，能夠顯著提升煤礦井下綜采作業(yè)過(guò)程中的巷道穩(wěn)定性，對(duì)提升井下綜采作業(yè)效率和安全性具有十分重要的意義。

圖3 優(yōu)化前后頂板及兩幫變形量對(duì)比

4 結(jié)論

1）巷道采用恒阻大錨索進(jìn)行支護(hù)時(shí)，不僅要承受頂板礦壓波動(dòng)的影響，還要承受在綜采作業(yè)期間綜采擾動(dòng)的影響。

2）為保證巷道頂板在采空區(qū)垮落后頂板圍巖的穩(wěn)定性，恒阻大錨索在固定時(shí)應(yīng)該固定在預(yù)裂縫隙深處的穩(wěn)定巖層中，最終選定的錨索長(zhǎng)度為9 300 mm，以確保支護(hù)穩(wěn)定性。

3）優(yōu)化后巷道頂板的平均位移量比優(yōu)化前降低了約30.6%，巷道內(nèi)兩幫的位移量比優(yōu)化前降低了約69.5%，顯著提升了煤礦井下綜采作業(yè)過(guò)程中的巷道穩(wěn)定性。