趙耀榮

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦， 山西 古交 030200）

我國煤炭資源賦存情況整體埋藏較深，井工開采是當(dāng)前的主要開采方式，然而，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國現(xiàn)行開采的煤礦中賦存有堅(jiān)硬頂板的煤層占比約30%左右，嚴(yán)重制約著煤礦的高效安全開采[1，2]。西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦（以下簡稱馬蘭礦）可采煤炭資源有3 號、9 號、13 號煤層，3號、9 號煤層已開采完畢，正在向13 號煤層延伸開采，13 號煤層的直接頂為K1 灰?guī)r（含有方解石），屬于典型的堅(jiān)硬性頂板，且該礦原有的錨桿支護(hù)技術(shù)存在錨桿預(yù)緊力不夠大、桿體強(qiáng)度較低、配套構(gòu)件與強(qiáng)度匹配性不佳的現(xiàn)場應(yīng)用缺陷，直接影響到巷道支護(hù)效果。因此，研究、運(yùn)用低成本、高效、穩(wěn)定的巷道圍巖支護(hù)技術(shù)對堅(jiān)硬頂板煤層的開采具有重大意義。

1 工程概況

馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，礦區(qū)南北長約5.9 km，東西寬約6.3 km，礦井面積約32.8 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400 萬t。礦井煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度2.8～3.5 m，平均厚度3.2 m，煤層傾角12°～23°，平均傾角17.5°。13 號煤152306 工作面的傾斜長度為180 m，推進(jìn)長度為1 300 m，東部為保護(hù)煤柱，北部為132307 工作面（已采），西部為13 號煤二盤區(qū)回風(fēng)巷、膠帶巷、軌道巷，南部為132305 工作面，見圖1。工作面中部有多個(gè)向背斜，煤層起伏較大，煤層傾角平均3.5°，局部傾角達(dá)10°左右，瓦斯絕對涌出量為1～4 m3/min，采用綜合機(jī)械化一次性采全高的方式進(jìn)行回采，平均采高2.2 m。工作面布置圖如圖1 所示。

2 圍巖力學(xué)性質(zhì)測試與分析

圖1 152306 工作面布置（m）

為詳細(xì)了解巷道周圍巖體的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，在運(yùn)用鉆孔窺視技術(shù)對圍巖結(jié)構(gòu)及頂板巖性進(jìn)行探測分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用水力壓裂法進(jìn)行圍巖應(yīng)力計(jì)算分析，得出：

1）13 號煤頂板巖層為以較致密的石灰?guī)r為主，厚度分布不均勻，強(qiáng)度普遍較大，在頂板10 m 的范圍內(nèi)強(qiáng)度值平均能夠達(dá)到105.35 MPa。

2）13 號煤頂部存在大量裂隙、煤線和泥巖夾層、炭質(zhì)和石英質(zhì)結(jié)晶體，局部還有較為明顯的空洞區(qū)，削弱了頂板的整體強(qiáng)度，增加了開采過程中發(fā)生頂板離層的風(fēng)險(xiǎn)。

3）13 號煤的最大水平應(yīng)力大小范圍為7.11～9.45 MPa，垂直主應(yīng)力大小范圍為4.20～6.31 MPa，應(yīng)力較低，總體上呈現(xiàn)最大水平主應(yīng)力＞垂直主應(yīng)力＞最小水平主應(yīng)力的分布規(guī)律，以構(gòu)造應(yīng)力為主，需通過加強(qiáng)巷道頂板的整體支護(hù)強(qiáng)度改變巖體內(nèi)破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)，提升其屈服后的強(qiáng)度，進(jìn)而提高其頂板巖層的自身承載能力。

3 巷道支護(hù)技術(shù)

大量的工程實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)賦予巷道圍巖主動力，在井工煤礦巷道支護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和安全性。但在工程實(shí)施過程中，因煤層賦存條件、開采工藝的差異性，致使支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)的選擇成為巷道支護(hù)的關(guān)鍵核心所在：支護(hù)強(qiáng)度過高，既會造成支護(hù)原料的浪費(fèi)，也降低了開掘的效率；支護(hù)強(qiáng)度過低，不能有效控制圍巖變形，易發(fā)生冒頂，釀成安全生產(chǎn)事故。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，結(jié)合數(shù)學(xué)分析，進(jìn)而選擇合適的支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)的方法已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可和大范圍應(yīng)用[3，4]。

3.1 錨桿參數(shù)理論分析計(jì)算[4-5]

3.1.1 巷道斷面尺寸

綜合考慮施工中機(jī)械設(shè)備的體積大小，通風(fēng)風(fēng)量大小以及巷道圍巖變形預(yù)留量，最終確定152306巷道掘進(jìn)斷面參數(shù)：寬4.7 m，高3 m，斷面面積為14.1 m2。

3.1.2 錨桿長度

考慮受到煤層內(nèi)裂隙的影響13 號煤層的普氏硬度系數(shù)fm取值為1.25，內(nèi)摩擦角為θm=tan-1fm=51.23°

不穩(wěn)定巖層高度：

式中：b1為1/2 巷道跨距，m；h0為巷道凈高，m；fd為加權(quán)普氏系數(shù)，取2。

采用懸吊理論對參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定，在計(jì)算錨桿的有效長度時(shí)，首先應(yīng)該計(jì)算出自然平衡拱的拱高值，用等式表示為l2=h。

根據(jù)式（2），確定錨桿的長度不小于2.1 m。

式中：l為錨桿長度；l1為錨固長度，≥0.3 m；l2為錨桿有效長度，采用懸吊理論對錨桿參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，取l2=h；l3為錨桿外露長度，取0.1 m。

3.2 支護(hù)方式

根據(jù)錨桿群對圍巖的作用機(jī)理，為了在巷道圍巖中形成一定厚度的壓縮拱，需要充分發(fā)揮錨桿的組合和加固性能，因此，巷道支護(hù)方案通過錨桿+鋼帶+錨索補(bǔ)強(qiáng)的聯(lián)合支護(hù)方法對巷道進(jìn)行支護(hù)。

3.2.1 頂板支護(hù)

1）頂錨桿。錨桿形式和規(guī)格：型號為Φ20-M22-2400，錨索體材料選用高強(qiáng)度的左旋式螺紋鋼，直徑為Φ20 mm，其長度為2.4 m。錨固方式：使用兩支錨固劑進(jìn)行錨固，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.3 m。錨桿布置方式：每排共布置4 根錨桿，錨桿的間、排距均設(shè)置為1 200 mm。離側(cè)幫較近的一根頂錨桿距巷幫距離為550 mm。在頂板有明顯離層和裂隙的地段進(jìn)行加密支護(hù)，每排5 根錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距1 000 mm。離側(cè)幫比較近的一根頂錨桿距巷幫350 mm。頂錨桿預(yù)緊力矩：大于300 N·m，小于500 N·m。錨桿錨固力：100 kN。托盤：使用拱型的高強(qiáng)度托盤，拱形變大于等于36 mm，尺寸為，配以球形墊和1010 尼龍墊圈。錨桿角度：垂直于頂板。網(wǎng)片規(guī)格：10 號鉛絲菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格40 mm×40 mm，網(wǎng)片規(guī)格4 700 mm×1 100 mm，網(wǎng)與網(wǎng)之間采用搭接法聯(lián)接，搭接長100 mm。

2）頂錨索。在工作面順槽使用直徑為Φ13.24 mm的低松弛預(yù)緊力的鋼絞線錨索，錨索長度選取5.4 m。布置方式：錨索采用對二布置，排距為20 000 mm（即每10 排錨桿打1 根錨索），錨索間距為2 400 mm，距巷幫1 130 mm，垂直頂板中部。錨索錨固方式：使用三支錨固劑進(jìn)行錨固，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.5 m。錨索托盤：托盤鋼號大于等于Q235，拱高大于等于60 mm。錨索預(yù)緊力：130 kN；錨索錨固力：大于300 kN。

3.2.2 巷幫支護(hù)

錨桿形式和其規(guī)格：采用桿體為Φ20 mm 的普通圓鋼錨桿，（Q235），長度為2 400 mm。錨固方式：樹脂加長錨固，使用兩支錨固劑，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.3 m。錨桿布置方式：錨桿間、排距均為1 200 mm，每排設(shè)置3 根，錨桿起錨高度為300 mm。錨桿角度：靠近頂、底板的幫錨桿與水平線呈13°，其余錨桿與巷幫垂直。頂錨桿預(yù)緊力矩：180 N·m。錨桿錨固力：70 kN。鋼筋托梁規(guī)格：采用Φ12 mm 的鋼筋焊接而成，長度2 900 mm，寬度100 mm，在安裝錨桿的位置焊接上兩道縱筋，縱筋間距100 mm。網(wǎng)片規(guī)格：10 號鉛絲菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格40 mm×40 mm，網(wǎng)片規(guī)格3 000 mm×1 100 mm，網(wǎng)以及網(wǎng)之間采用搭接法聯(lián)接，搭接長100 mm。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果驗(yàn)證

4.1 巷道表面位移

為了驗(yàn)證在采取上述支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)后巷道圍巖變形控制情況，參考相關(guān)作業(yè)規(guī)程的具體要求，在152306 工作面的進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽設(shè)置了多組綜合測站，為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，對于相同巷道選用同款監(jiān)測設(shè)備，在交叉點(diǎn)位置安裝離層動態(tài)監(jiān)測。受文章篇幅限制，羅列代表性監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果如圖2 所示。監(jiān)測結(jié)果表明：頂板基本沒有下沉量，兩幫移近量也很小，巷道基本保持穩(wěn)定，從實(shí)測數(shù)據(jù)來看，頂?shù)装遄畲笠平繛?60 mm，兩幫最大位移量為240 mm，可見該巷道支護(hù)技術(shù)有效抑制了巷道圍巖發(fā)生位移及變形。

圖2 代表性監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果

4.2 頂板離層監(jiān)測

為監(jiān)測巷道頂板離層變化，在進(jìn)回風(fēng)順槽巷道共安裝頂板離層儀46 多個(gè)，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)的監(jiān)測點(diǎn)處的頂板離層數(shù)值為零，只有較少一部分的離層儀的顯示離層數(shù)值范圍在之間。由以上的結(jié)果可以得到，聯(lián)合支護(hù)方式對條順槽巷道頂板的穩(wěn)定起到了至關(guān)重要的作用。

5 結(jié)論

1）隨著井工煤礦開采深度的不斷延伸，綜合開采條件將更加復(fù)雜，堅(jiān)硬頂板巷道圍巖支護(hù)難度也將逐漸加大，如何克服地?zé)?、沖擊地壓、地質(zhì)斷層等不利條件給堅(jiān)硬頂板巷道圍巖支護(hù)帶來的挑戰(zhàn)，任務(wù)煤炭行業(yè)科學(xué)工作者及工程技術(shù)人員長時(shí)間研究、創(chuàng)新。

2）通過采取錨桿+鋼帶+錨索補(bǔ)強(qiáng)的巷道聯(lián)合支護(hù)方式和合適的支護(hù)參數(shù)，有效抑制了巷道圍巖位移變形和頂板離層，維持了巷道形態(tài)的穩(wěn)定，起到了良好的支護(hù)效果。