王智玉 張 帥 楊恩懿

（河南能化集團(tuán)永煤公司紅嶺煤礦，河南 安陽(yáng) 455100）

紅嶺煤礦1703 上巷在距離切眼40 m 時(shí)，為托頂煤巷道，巷道頂板為泥巖，巖層層理、裂隙發(fā)育，兩幫為強(qiáng)度較低的破碎煤體，圍巖整體強(qiáng)度較低，托頂煤巷道容易出現(xiàn)冒頂、片幫和底鼓等現(xiàn)象，給巷道的維護(hù)帶來(lái)了很大的困難[1-5]。為切實(shí)加強(qiáng)支護(hù)效果，需設(shè)計(jì)合理的支護(hù)參數(shù)，探索更為實(shí)用的圍巖控制技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的支護(hù)環(huán)境。

1 1703 上巷大斷面托頂煤段概況

1703 上巷為上山掘進(jìn)，坡度3°，頂板傾角15°。巷道采用錨網(wǎng)+錨索支護(hù)，巷道截面形狀為矩形，巷道凈寬5200 mm，凈高3800 mm（中線(xiàn)位置）。巷道頂部煤厚約3.0 m，巷道偽頂厚度約300 mm，錨索外露最大長(zhǎng)度為310 mm（托盤(pán)10 mm+鎖具50 mm+外露最大250 mm）。上幫肩窩位置鋪設(shè)有一趟Φ1000 mm 的風(fēng)筒，上幫底角鋪設(shè)有一趟鐵皮水槽，中線(xiàn)偏上幫500 mm 位置安設(shè)有一部單軌吊車(chē)，下幫鋪設(shè)有一部膠帶輸送機(jī)。巷道永久支護(hù)采用T 型鋼帶+Φ22 mm×2500 mm 錨桿+金屬網(wǎng)+錨索支護(hù)，頂部錨桿分別打設(shè)在巷道中線(xiàn)兩側(cè)350 mm、1050 mm、1750 mm 的位置，共打設(shè)6 根；錨索采用Φ21.6 mm×5000 mm 鋼絞線(xiàn)，分別打設(shè)在巷道中線(xiàn)兩側(cè)2450 mm 位置，共打設(shè)2根；巷道頂部加固錨索采用Φ21.6 mm×8000 mm的鋼絞線(xiàn)，頂部加固錨索共布置三道，分別在巷道中線(xiàn)和中線(xiàn)兩側(cè)1600 mm 的位置各打設(shè)一道，間排距1600 mm×1600 mm；巷道幫部錨索采用Φ21.6 mm×5000 mm 鋼絞線(xiàn)，分別在底板向上1400 mm和2800 mm 的位置各打設(shè)一道，打設(shè)間排距為1400 mm×2800 mm。1703 上巷托頂煤段巷道剖面示意圖如圖1，頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

圖1 1703 上巷托頂煤段支護(hù)示意圖（mm）

鑒于施工地點(diǎn)作業(yè)環(huán)境，同時(shí)考慮作業(yè)空間，對(duì)施工點(diǎn)進(jìn)行逐項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)評(píng)估，存在的頂板事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如下：

托頂煤掘進(jìn)期間煤體松軟破碎，未及時(shí)采取措施，存在片幫或冒頂傷人風(fēng)險(xiǎn)；生產(chǎn)工作地點(diǎn)頂幫狀況并未明晰，未對(duì)此處進(jìn)行檢查或檢查不到位，存在掉落物傷人的風(fēng)險(xiǎn)；托頂煤掘進(jìn)期間未按要求布置使用超前骨架，存在局部冒頂風(fēng)險(xiǎn)；人員站位不當(dāng)，存在頂板冒落、片幫傷人風(fēng)險(xiǎn)；使用支護(hù)材料不合格或不符合作業(yè)規(guī)程規(guī)定的，存在支護(hù)失效頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)；托頂煤施工期間，未按規(guī)定進(jìn)行周期礦壓觀測(cè)，存在不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦壓變化情況，巷道變形嚴(yán)重，冒頂、片幫傷人的風(fēng)險(xiǎn)；托頂煤施工期間，臨時(shí)支護(hù)打設(shè)不規(guī)范，不符合措施要求，存在頂板掉落傷人的風(fēng)險(xiǎn)等。

開(kāi)挖巷道后，各層頂板不同巖性的差異會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，各巖層產(chǎn)生不同程度的彎曲下沉，強(qiáng)度越低的巖層下沉程度越大，進(jìn)而頂煤彎曲下沉量相較于其他巖層較大，與直接頂分開(kāi)，出現(xiàn)了頂煤離層現(xiàn)象。且頂煤的強(qiáng)度越小，其最大彎曲下沉量越大，頂煤所受張力越大，其穩(wěn)定性也就越差。為了減少此類(lèi)事故的發(fā)生，確定合理的支護(hù)參數(shù)及相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)至關(guān)重要。

2 大斷面托頂煤巷道支護(hù)現(xiàn)狀

頂板由許多層次的薄弱煤礦石構(gòu)成，每個(gè)巖層之間的粘合力較差，一旦開(kāi)挖，受到集中應(yīng)力作用，極易發(fā)生剪切破壞。各分層沿著破壞的結(jié)構(gòu)面水平錯(cuò)動(dòng)，相對(duì)移動(dòng)的區(qū)域和縱向的曲線(xiàn)位移會(huì)逐漸加大，其中強(qiáng)度較弱的薄弱層次就會(huì)首先被拉伸破壞，從而降低了復(fù)合天花板的整體強(qiáng)度和硬度。

煤巖復(fù)合頂板各分層下沉量與巷道寬度a關(guān)系：

式中：q為上覆巖層均布載荷；Di為各分層的抗彎剛度；x為煤巖復(fù)合頂板各分層任意點(diǎn)與頂板中部的水平距離。

各層在煤巖復(fù)合頂板下的沉陷和離層的最大程度與巷道寬度的四次方成正相關(guān)，在巷道頂板的中心區(qū)域更為嚴(yán)重。大面積進(jìn)一步加劇了煤巖復(fù)合頂板的沉陷和離層，引發(fā)巷道穩(wěn)定性的快速衰退。

總結(jié)來(lái)看，托頂煤巷道頂板有很大的可能會(huì)分層破裂，這在錨固區(qū)域更為明顯。由于錨桿在橫向和縱向的約束，錨固區(qū)內(nèi)的煤巖和支撐結(jié)構(gòu)形成了共同的載重體系。一旦煤巷的斷面面積增大，引發(fā)煤和巖石的頂層快速分層和下沉，當(dāng)頂層的張拉破壞深度超過(guò)錨固區(qū)，錨固體會(huì)被破壞，從原本的承載體變?yōu)樨?fù)重體，錨索會(huì)受到很大的拉力。這也暴露出了大斷面巷道支撐的難點(diǎn)。

巷道斷面的擴(kuò)大影響了巷道的變形損壞模式，使得頂部和兩側(cè)的拉伸破壞范圍及深度逐步放大。同時(shí)，肩角的壓切損害區(qū)和脆弱層的張力破壞面交匯，導(dǎo)致頂部和兩側(cè)的拉伸損害加劇，進(jìn)一步引發(fā)頂部塌陷、側(cè)壁破裂等不穩(wěn)定情況。大斷面托頂煤巷道受變形破壞機(jī)制的制約，其穩(wěn)定受構(gòu)造應(yīng)力、采動(dòng)等因素的影響極為敏感。

3 1703 上巷托頂煤段聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)礦井《2022 年度安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)》和1703上巷施工工藝變更專(zhuān)項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)評(píng)估報(bào)告，結(jié)合紅嶺煤礦1703 上巷托頂煤段生產(chǎn)地質(zhì)條件，改進(jìn)現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)，最終確定巷道采用“T 型鋼帶+頂板錨網(wǎng)索+幫部索網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)，示意圖如圖2 所示，聯(lián)合支護(hù)參數(shù)如下：

圖2 1703 上巷托頂煤段聯(lián)合支護(hù)示意圖（mm）

1）頂部錨桿分別打設(shè)在巷道中線(xiàn)兩側(cè)350 mm、1050 mm、1750 mm 的 位 置， 設(shè) 置 間 排距為1000 mm×1000 mm 的Ⅱ級(jí)螺紋鋼錨桿（Φ20 mm×2300 mm），每根錨桿對(duì)應(yīng)配套1根MSCK2360 型樹(shù)脂藥卷，其中設(shè)計(jì)保證Φ20 mm×2300 mm Ⅱ級(jí)螺紋鋼錨桿的扭矩力最小為100 N·m，錨桿錨固力最小為100 kN，托盤(pán)采用Q235 蝶形錨桿托盤(pán)，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，共打設(shè)6 根；在巷道中線(xiàn)與巷道中線(xiàn)兩側(cè)1600 mm 位置分別打設(shè)間排距1600 mm×1600 mm的錨索（Φ21.6 mm×8000 mm 1×7 股鋼絞線(xiàn)），共打設(shè)3 根。為保證頂板支護(hù)強(qiáng)度，采用鋼帶配合π 型梁打設(shè)單體柱對(duì)巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。頂網(wǎng)采用網(wǎng)孔規(guī)格為200 mm×200 mm 的防沖鋼筋編織網(wǎng)片（Φ6.5 mm），搭接長(zhǎng)度為200 mm，搭配使用16#鐵絲雙股綁扎，并保證綁扎間距不超過(guò)300 mm。

2）巷道幫部采用金屬網(wǎng)配合錨索支護(hù)（Φ21.6 mm×8000 mm 1×7 股鋼絞線(xiàn)），分別在底板向上1400 mm 和2800 mm 的位置各打設(shè)一道，打設(shè)間排距為1400 mm×2800 mm。巷道正常掘進(jìn)期間頂部錨索梁要求滯后迎頭距離不大于10 m，幫部錨索梁滯后迎頭距離不大于30 m。巷道兩幫采用6000 mm×2000 mm 規(guī)格的網(wǎng)片（8#菱形金屬網(wǎng)）支護(hù)，其中網(wǎng)孔規(guī)格為200 mm×200 mm，搭接長(zhǎng)度為200 mm，搭配使用16#鐵絲雙股綁扎，并保證綁扎間距不超過(guò)300 mm。

3）施工期間，采用輕型單體液壓支柱作為臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)共布置4 根單體液壓支柱，分別布置在中線(xiàn)兩側(cè)750～800 mm 和2150～2200 mm 位置各1根；聯(lián)網(wǎng)采用雙層網(wǎng)，第一層采用菱形平鋼網(wǎng)，第二層采用金屬方格網(wǎng)，幫部使用菱形平鋼網(wǎng)。

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)校驗(yàn)

使用T 型鋼帶配合錨索進(jìn)行施工時(shí)，錨索采用Ф21.6 mm、長(zhǎng)度6 m 的錨索鋼絞線(xiàn)，對(duì)6 m 錨索鋼絞線(xiàn)長(zhǎng)度進(jìn)行驗(yàn)證：

1）鋼絞線(xiàn)長(zhǎng)度

托頂煤大斷面巷道達(dá)到巷道頂板錨桿懸吊作用的支護(hù)效果的條件：

其中：L為鋼絞線(xiàn)總長(zhǎng)度，m；La為鋼絞線(xiàn)的自由段長(zhǎng)度，取4 m；Lb為鋼絞線(xiàn)的錨固長(zhǎng)度，m。

按《巖土錨桿與噴射混凝土工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086-2015）要求，鋼絞線(xiàn)錨固長(zhǎng)度Lb按下列公式確定，并取其中較大的值：

其中：Nd為鋼絞線(xiàn)軸向拉力設(shè)計(jì)值，取120 kN；K為安全系數(shù)，取2.2；D為鉆孔直徑，取28 mm；d為單根鋼絞線(xiàn)直徑，取7.2 mm；n為單鋼絞線(xiàn)根數(shù)，取7 根；fmg為錨固體與巖石孔壁之間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取1.5 MPa；f*ms為錨固體與鋼絞線(xiàn)之間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取1.0 MPa；ξ為采用2 根及以上鋼絞線(xiàn)時(shí)，界面黏結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.7；Ψ為錨固段長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，取1。最后計(jì)算可得出Lb取2 m。則L=La+Lb=4 m+2 m=6 m。

經(jīng)探測(cè)1703 上巷平均煤厚約6800 mm，根據(jù)1703 上巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)高度3800 mm，1703 上巷托頂煤掘進(jìn)時(shí)，巷道頂部煤厚約3000 mm，巷道偽頂厚度約300 mm，錨索外露最大長(zhǎng)度為310 mm（托盤(pán)10 mm+鎖具50 mm+外露最大250 mm），根據(jù)要求錨索必須打設(shè)在穩(wěn)定巖層中不低于2000 mm，所以1703 上巷托頂煤施工時(shí)使用6000 mm 鋼絞線(xiàn)符合支護(hù)要求。

4 工程實(shí)踐效果

紅嶺煤礦1703 上巷托頂煤段進(jìn)行錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)后，對(duì)巷道的變形量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。1703 上巷托頂煤段圍巖位移量如圖3。

圖3 1703 上巷托頂煤段掘進(jìn)時(shí)期圍巖位移量

由圖3 分析可知，頂板最大下沉量為42 mm，底板底鼓量為46.8 mm，兩幫總移近量為54.6 mm。在開(kāi)掘30 d 后，巷道圍巖變形緩慢，趨向于穩(wěn)定；在巷道開(kāi)掘60 d 后，巷道圍巖基本不產(chǎn)生變形，頂板離層基本為0，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

5 結(jié)論

以紅嶺煤礦1703 上巷托頂煤掘進(jìn)為背景，提出了“T 型鋼帶+頂板錨桿錨索+幫部錨索護(hù)表金屬網(wǎng)+護(hù)表金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)及參數(shù)。工程實(shí)踐表明，1703 上巷托頂煤段掘進(jìn)時(shí)圍巖變形量較小，待趨于穩(wěn)定后頂板離層基本為0，有效保障了托頂煤段巷道圍巖的穩(wěn)定，對(duì)于條件類(lèi)似的托頂煤巷道也有重要的借鑒意義。