王彬宇

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

新景公司井田隸屬于山西省陽泉市陽煤集團(tuán)，位于陽泉市區(qū)的西部，距離市中心大約11 km，井田的面積大約為64.747 km2。核定生產(chǎn)能力達(dá)5.0 Mt/a，服務(wù)年限為85a。目前主采3#、8#、15#煤，15#煤層為厚煤層，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。

新景礦15#煤回采巷道的圍巖控制一直是本礦的技術(shù)難題，傳統(tǒng)施工工藝是沿底板托頂煤掘進(jìn)施工，采用的支護(hù)形式是頂板全錨索+兩幫錨桿錨索支護(hù)。由于受埋深和應(yīng)力及回采期間周期來壓的影響，該類型巷道經(jīng)常出現(xiàn)局部冒頂情況。為了解決這一難題，新景礦在傳統(tǒng)施工工藝上進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。巷道掘進(jìn)層位改為上層沿頂板掘進(jìn)，支護(hù)形式采用了高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)。雖然保證了掘進(jìn)期間的安全施工，但回采期間，受周期來壓的影響，還是出現(xiàn)了局部冒頂?shù)默F(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場情況，結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行分析，找出冒頂原因，并提出新的支護(hù)方案和建議，保證掘進(jìn)和回采工作的順利進(jìn)行，是勢在必行的工作。

1 巷道概況

15028綜放工作面煤層埋深平均460 m，開采15#煤層，煤層厚度平均為6.66 m，煤層傾角平均為8°，直接頂為0.8～6.4m厚的泥巖，基本頂為5.4～13.96 m厚的K2石灰?guī)r。工作面位于一采區(qū)東南部，東為三礦礦界，西為15009工作面，北為80204工作面采空區(qū)，南為15029工作面。15028回風(fēng)巷沿15#煤直接頂掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面為5.2m×3.1 m。見圖1。

圖1 15028工作面平面布置

2 15028回風(fēng)巷支護(hù)方式

2.1 頂板支護(hù)

頂錨桿使用Φ20 mm×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為940mm×800mm，每排6根，頂部錨桿垂直于巷道頂板（肩窩錨桿斜向幫部與垂直方向夾角為不大于15°），配套使用W形鋼托盤、減摩墊圈，W形托盤規(guī)格為140mm×250mm×10 mm，采用一支MSCK23/80樹脂錨固劑；頂錨索使用為Ф21.6 mm×6200mm，1770級低松弛鋼絞線，間排距為1880mm×1600mm，每排2根，配套使用鎖具、300 mm×300mm×16mm的碟形托盤、減摩墊圈、球形墊圈，錨索藥卷使用一支雙速MSCK23/120樹脂錨固劑；頂板鋪設(shè)10#菱形金屬網(wǎng)和6眼W鋼帶，菱形金屬網(wǎng)規(guī)格長×寬：5500mm×1000 mm；W鋼帶采用眼距為940mm的6眼BHW-940-220-4-5200 mm鋼帶（見圖2）。

圖2 15028回風(fēng)巷支護(hù)斷面

2.2 巷幫支護(hù)

巷道兩幫采用Φ20 mm×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為850mm×800 mm，每排4根，錨桿垂直于幫部墻體，配套使用碟形托盤、減摩墊圈、球形墊圈，碟形托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10mm，中心孔徑大于錨桿直徑1.5～2.0 mm，采用一支MSZ23/80樹脂錨桿錨固劑；實體煤幫不打錨索，煤柱幫錨索使用Ф17.8 mm×5200 mm，間排距為1100mm×1600 mm，錨索與錨桿布置在不同排，每排2根，配套使用鎖具、300mm×300 mm×16mm的碟形托盤、減摩墊圈、球形墊圈，錨索藥卷使用一支雙速MSCK23/120樹脂錨固劑；兩幫鋪設(shè)10#菱形金屬網(wǎng)和Ф12 mm圓鋼制作的鋼筋梯子梁，菱形金屬網(wǎng)規(guī)格長×寬：3100 mm×1000 mm；幫錨桿豎向鋼筋梯子梁規(guī)格長×寬：1950 mm×70mm，兩幫上部3根錨桿用梯子梁豎向連接，最下面一根錨桿用梯子梁橫向連接，橫向錨桿及錨索鋼筋梯子梁規(guī)格長×寬：1850 mm×70 mm，每兩根錨索在沿巷道走向上用梯子梁橫向連接，梯子梁相互搭接（見圖2）。

錨索預(yù)緊力要求為300kN，錨桿錨固力為105 kN，錨桿扭力矩為300N·m。

3 15028回風(fēng)巷冒頂情況

3.1 巷道冒頂位置

15028工作面目前已回采80m，進(jìn)入80204工作面殘余支承應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)，回風(fēng)巷護(hù)巷煤柱寬度為20m，回風(fēng)巷冒頂區(qū)域距離15028工作面約150 m，巷道冒頂長度14m，寬度3.5m，高度2.5 m，冒頂區(qū)域主要為直接頂，巖性為強(qiáng)度較小的泥巖。

3.2 巷道冒頂后整體狀態(tài)

15028回風(fēng)巷冒頂區(qū)域位于工作面前方約150 m，巷道冒頂長度約為14m、寬度3.5 m，冒頂高度約為2.5 m，冒頂層位為直接頂（泥巖），頂板冒落后巷道近似“拱形”，最高冒頂位置大致位于巷道頂板中部，見圖3。

圖3 巷道冒頂后狀態(tài)

3.3 錨索破壞特征

回風(fēng)巷冒頂段錨索存在破斷現(xiàn)象，據(jù)現(xiàn)場初步勘測，錨索破斷數(shù)約為8根，根據(jù)井下實拍照片顯示（見圖4），錨索破斷未發(fā)現(xiàn)齊口剪斷形式，均為鋼絞線“剝絲”拉斷，且7股鋼絞線斷裂位置存在差異，判定錨索破斷形式主要由于受力過大而被拉斷。

圖4 錨索破斷形式

3.4 錨桿及托板破壞特征

據(jù)現(xiàn)場勘查記錄情況分析（見圖5），15028工作面回風(fēng)巷冒頂段頂板錨桿破壞方式主要有以下3類：

①錨桿拉斷：該種破壞方式的錨桿數(shù)量較少，現(xiàn)場觀測僅有1根錨桿存在拉斷現(xiàn)象，斷裂口直徑變細(xì)，斷裂平面粗糙。

②錨桿螺母穿托盤：此種破壞方式數(shù)量多于錨桿拉斷數(shù)量，具體表現(xiàn)為錨桿螺母仍存留在錨桿尾部，螺母穿過托盤后造成錨桿失效產(chǎn)生頂板冒落。

③錨桿螺母脫絲：現(xiàn)場觀測情況顯示，錨桿螺母脫絲現(xiàn)象十分嚴(yán)重，脫絲現(xiàn)象主要發(fā)生在螺母位置，冒落頂板趨于錨桿尾部車絲部位殘留螺母內(nèi)絲，此種破壞方式為冒頂段錨桿主要破壞形式。

現(xiàn)場觀測顯示，錨索碟形托盤未發(fā)現(xiàn)撕裂破壞現(xiàn)象，中部碟形鼓起完好。錨桿W型托盤變形破壞嚴(yán)重，變形后托盤中部碟形骨架基本上被壓平，托盤彎曲內(nèi)陷嚴(yán)重，同時，錨桿螺母存在不同程度的鉆托盤錨桿孔現(xiàn)象。冒落后托盤錨桿孔由圓形變?yōu)榉叫?，孔口位置可見明顯的螺母六棱切口。測量現(xiàn)場使用的錨桿托盤厚度為8 mm。

圖5 錨桿及托板破壞形式

4 15028回風(fēng)巷冒頂原因分析

4.1 工作面前方堅硬頂板斷裂產(chǎn)生動態(tài)沖擊

15028工作面回風(fēng)巷冒落段處于80204采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力影響區(qū)域，回風(fēng)巷護(hù)巷保護(hù)煤柱為20 m，導(dǎo)致回風(fēng)巷恰好處于側(cè)向支承應(yīng)力峰值影響區(qū)，此外，冒落位置為一褶皺構(gòu)造向斜底部，為最大主應(yīng)力作用區(qū)域，加之，受15028工作面回采時超前支承應(yīng)力影響，導(dǎo)致冒頂區(qū)域應(yīng)力疊加程度極高，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。

同時，冒頂區(qū)域鄰近80204工作面開切眼位置，為80204采場覆巖垮落不充分區(qū)域，15028工作面回采過程中，回風(fēng)巷在較高集中程度的支承應(yīng)力影響下發(fā)生再次破壞，產(chǎn)生動載沖擊造成回風(fēng)巷錨索拉斷，為誘發(fā)此次冒頂事故的主因。

4.2 錨索支護(hù)密度較小，無法抵抗灰?guī)r斷裂后產(chǎn)生的沖擊載荷

15028工作面回風(fēng)巷冒頂段現(xiàn)場使用錨索排距1600 mm，每排2根，采用“202”布置方式。 巷道冒落前頂板變形量較小，冒頂為瞬間完成的動態(tài)沖擊過程，確定錨索支護(hù)安全系數(shù)時除考慮到高靜壓影響外，應(yīng)充分考慮強(qiáng)動載沖擊，增大錨索支護(hù)密度，抵抗消耗沖擊能量，減少覆巖堅硬頂板破斷動載沖擊時錨索被拉斷現(xiàn)象，避免冒頂事故的產(chǎn)生。

4.3 錨桿桿體及配件強(qiáng)度偏低且不匹配

15028工作面回風(fēng)巷冒頂段錨桿破壞方式主要以螺母穿托盤和螺母脫絲兩種現(xiàn)象為主，表明采購錨桿配套托盤與螺母強(qiáng)度偏低，此外，設(shè)計錨桿托盤為10mm厚，現(xiàn)場采用托盤厚度僅為8 mm，導(dǎo)致托盤強(qiáng)度偏低，同時，托盤錨桿孔加工直徑較大，螺母直徑偏小，現(xiàn)場無法加工配套使用半球形墊圈，導(dǎo)致螺母貫穿托盤錨桿孔的現(xiàn)象產(chǎn)生。螺母強(qiáng)度低則造成螺母受動載沖擊時易產(chǎn)生脫絲現(xiàn)象，脫絲后錨桿失效，加劇頂板冒落范圍。

5 對動壓巷道支護(hù)設(shè)計優(yōu)化及整改措施

5.1 加強(qiáng)直接頂（泥巖）賦存情況的勘查工作

由于此次冒落頂板為強(qiáng)度較低的泥巖直接頂，根據(jù)礦井綜合鉆孔柱狀圖顯示，直接頂為0.8～6.4 m厚的泥巖，后期支護(hù)設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)泥巖賦存狀況的調(diào)查，依據(jù)調(diào)查結(jié)果，針對性設(shè)計錨桿（索）錨固高度及支護(hù)參數(shù)。

5.2 優(yōu)化錨桿（索）支護(hù)設(shè)計

為有效抵抗和吸收采場堅硬頂板破斷后釋放的動載沖擊能，減少錨桿（索）破斷，避免冒頂事故的發(fā)生，后期支護(hù)設(shè)計時建議使用強(qiáng)度更高的BHRB500型號錨桿，將現(xiàn)使用寬度235mm的W型鋼帶更換為280 mm，配套使用碟形托盤、半球形墊圈、減摩墊圈和等強(qiáng)螺母。

在15028工作面回風(fēng)巷頂板采取錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，尤其是對變形下沉量較大位置，在工作面超前支承應(yīng)力影響區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)錨索補(bǔ)強(qiáng)與單體支護(hù)聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)，保持頂板穩(wěn)定性。

增加錨索支護(hù)密度，將現(xiàn)采用錨索“202”布置方式更換為“212”布置，局部變形嚴(yán)重區(qū)域或構(gòu)造區(qū)域應(yīng)及時增加錨桿（索）支護(hù)密度，提高支護(hù)強(qiáng)度。

在錨桿（索）托盤與螺母（鎖具）之間增加相應(yīng)強(qiáng)度的讓壓管（見圖6），保證錨桿（索）結(jié)構(gòu)在恒定高阻條件下產(chǎn)生穩(wěn)定變形，吸收堅硬頂板斷裂釋放的動態(tài)沖擊能和圍巖變形破壞能，保持支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定。

圖6 讓壓管及安裝方法

5.3 增加超前支護(hù)距離

由于回采巷道服務(wù)期間將受構(gòu)造應(yīng)力、上工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力及本工作面超前支承應(yīng)力的疊加影響，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)力集中程度較高，為有效保證頂板穩(wěn)定，避免冒頂事故發(fā)生，建議增加超前支護(hù)距離，將現(xiàn)有超前支護(hù)距離由100 m增加至200～300 m，具體距離根據(jù)巷道變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等情況確定。

6 結(jié)語

15028回風(fēng)巷冒頂?shù)闹饕蛴校褐ёo(hù)設(shè)計時未加強(qiáng)頂板巖性賦存狀況的調(diào)查，未具體分析巷道應(yīng)力情況；支護(hù)設(shè)計頂板錨索密度不夠；支護(hù)材料及配件強(qiáng)度低且匹配性不高；回采過程中未及時觀測壓力顯現(xiàn)情況并增加超前支護(hù)距離。針對以上原因，對動壓巷道支護(hù)設(shè)計、工藝等內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，有效地避免了回采期間堅硬頂板破斷后釋放的動載沖擊能造成的巷道冒頂現(xiàn)象。通過分析和優(yōu)化，對新景礦該類型巷道的支護(hù)起到了指導(dǎo)性作用。