何 杰 崔千里

(1. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，100013)

松軟厚煤層動壓巷道的留頂煤掘進與支護，一直以來都是巷道支護研究的重點。隨著開采深度和范圍的增加，松軟厚煤層留頂煤巷道存在圍巖應力大、頂煤隨掘隨冒、圍巖變形破碎等問題，巷道施工和支護十分困難；尤其當巷道受到鄰近工作面或采空區(qū)動壓影響時，圍巖控制將變得更加困難，出現(xiàn)頂煤破碎下沉、底板底鼓、兩幫劇烈收縮等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)錨桿錨索破斷、頂板冒落等事故。國內(nèi)外專家學者已經(jīng)進行了大量的實驗研究和工程實踐，提出了多種支護方式，如架棚支護、注漿加固及可伸縮錨索支護等，但仍存在諸多不足之處，如支護成本較高、圍巖完整性遭破壞等，需要針對性地研究松軟厚煤層動壓巷道的變形規(guī)律、施工優(yōu)化及圍巖與支護體協(xié)同作用機理。本文在分析松軟厚煤層留頂煤巷道變形破壞的基礎(chǔ)上，提出了相應的留頂施工工藝和圍巖控制技術(shù)，并將其應用于工程實踐，取得了顯著的效果。

1 巷道工程背景

陽泉二景礦15202回風巷地面標高1300～1363 m，井下標高840～848 m。相鄰的15103工作面回采完畢約1年，保護煤柱凈寬15 m，受采空區(qū)動壓影響。巷道布置如圖1所示。

巷道位于15#煤層，沿煤層底板掘進，頂煤留設(shè)不成功，全高掘進。15#煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層強度指數(shù)f=0.6～1.5，較為松軟破碎，完整性差；煤層厚度4.2～6.7 m，平均5.4 m，煤層傾角2°～11°，平均4°。15#煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，屬貧煤。煤層偽頂為黑色砂質(zhì)頁巖，直接頂為石灰?guī)r，厚度2.3 m，灰黑色，老頂為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖組成的互層，約2～3層，厚度約9.5 m；煤層底板為鋁質(zhì)泥巖和細粒砂巖，如圖2所示。

圖1 巷道布置平面圖

圖2 巷道頂?shù)装鍘r性

進行地質(zhì)力井下原位測試，測得最大、最小水平主應力、垂直應力分別為10.5 MPa、5.3 MPa、5.0 MPa，最大主應力方向NE55.1°，量值上屬于中應力區(qū)。相互垂直的主應力差值達到5.2 MPa，圍巖偏應力作用顯著。煤體平均強度8.1 MPa，整體較軟；煤層含有瓦斯，煤體松軟破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，圍巖整體性和穩(wěn)定性較差。

2 支護現(xiàn)狀與存在問題

2.1 原支護參數(shù)

頂板采用?20 mm×2400 mm圓鋼錨桿，配套尺寸為5000 mm×230 mm×4 mm的W型鋼，錨桿墊片尺寸為100 mm×100 mm×8 mm，護表金屬網(wǎng)尺寸為1.2 m×8.0 m，網(wǎng)片搭接，錨固劑型號為MSCK2840，錨桿間排距為0.9 m×1.0 m；頂錨索采用?17.8 mm×6200 mm、1×7股鋼絞線，錨固劑型號為MSCK23100，配套200 mm×200 mm×10 mm平鋼板，錨索間距1800 mm；巷幫采用?20 mm×2400 mm圓鋼錨桿，鉆孔直徑42 mm，錨固劑型號為MSCK3540，配套托板200 mm×200 mm×10 mm，錨桿間排距0.8 m×0.85 m，巷幫打設(shè)三排幫錨索，?17.8 mm×6200 mm、1×7股鋼絞線，配套幫錨索托板300 mm×300 mm×10 mm，錨索間排距0.8 m×0.85 m；頂錨索預緊力不小于160 kN，幫錨索預緊力介于60～80 kN之間，幫錨桿預緊扭矩120 N·m。

2.2 變形破壞與問題分析

大斷面高幫巷道支護，一方面施工比較困難，需要清理底煤和利用底煤臺階面進行巷道上部支護，施工條件差，施工質(zhì)量不易保證；另一方面高幫支護比較困難，煤壁破碎，完整性差，承載強度低，兩幫最大變形達1 m之多，錨桿錨索后空或托板陷進四周鼓出的煤體內(nèi)，分析原因主要有以下幾方面：

(1)掘進支護施工不合理，被迫采用沿頂沿底的全高掘進，一方面巷道支護和現(xiàn)場施工比較困難，巷道安全無法得到保障；另一方面，全高掘進為后期綜放回采帶來支護問題，端頭支架無法接頂，容易造成支架壓死或頂板冒落事故。

(2)支護系統(tǒng)剛度偏低。錨桿錨索預緊力偏低，導致其產(chǎn)生的支護應力場較小，不利于形成有效的支護承載結(jié)構(gòu)；同時，巷幫松軟破碎，容易出現(xiàn)錨桿錨索后空或破碎片幫現(xiàn)象，造成巷道失穩(wěn)破壞。

(3)支護材料匹配不合理，整體支護效果較差。采用槽鋼或面積較小的平鋼板進行護表支護，一方面槽鋼和平鋼板的強度與錨桿錨索的承載能力不匹配，影響支護系統(tǒng)的整體強度；另一方面護表面積較小，容易在松軟破碎圍巖出現(xiàn)頂幫鼓包變形，甚至是破碎圍巖從托板、槽鋼四周鼓出來并將其掩埋，破壞圍巖的完整性和承載結(jié)構(gòu)。

(4)巷幫支護較弱。出現(xiàn)“重視頂板、輕視兩幫”現(xiàn)象，巷幫下部采用支護力較低的錨桿支護，支護較弱。兩幫鼓包變形，容易誘發(fā)圍巖深部變形位移，同時也造成水平應力對頂?shù)装宓臄D壓破壞，最終導致巷道整體失穩(wěn)冒落。

3 施工優(yōu)化與改進原則

(1)改善施工方案和工藝，采用留頂煤掘進支護。通過優(yōu)化施工工藝和支護設(shè)計，改善施工條件，保證支護效果。一方面可減小巷道斷面，降低施工難度；另一方面可改善支護效果，保證巷道安全，也為后期綜放回采帶來方案。

(2)提高支護系統(tǒng)剛度。高預應力是錨索支護系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，提高支護系統(tǒng)的剛度，可有效改善巷道圍巖條件和承載能力，利于掘進支護和巷道安全。

(3)頂板巷幫協(xié)調(diào)支護。加強巷幫支護，一方面控制水平應力對頂?shù)装宓臄D壓破壞作用，減小頂?shù)鬃冃?；另一方面改善幫部應力狀態(tài)和圍巖完整，保證整體支護效果。

(4)改善支護系統(tǒng)作用狀態(tài)。通過改進支護配件，如調(diào)節(jié)支護角度的調(diào)心球墊、擴大護表面積的W形托板等，改善支護體受力狀態(tài)，提高預應力擴散效果，保證圍巖完整和巷道安全。

4 留頂煤掘進支護方案

根據(jù)巷道地質(zhì)條件和施工現(xiàn)狀，在問題分析、工藝優(yōu)化、參數(shù)選取與方案對比的基礎(chǔ)上，確定采用“留頂煤高預應力全錨索頂幫協(xié)調(diào)支護”的綜合技術(shù)。

(1)開口段自由面防護：掘進面清理→自由面防護→初始段超前支護→留頂煤、強力支護。利用人工風鎬進行敲幫問頂，清除危巖浮塊；在留頂開始(即巷高3.0 m)處，人工挖出一個與水平夾角60°的傾斜臺階面，便于打設(shè)超前斜拉錨索。錨索采用?17.8 mm，1×7股鋼絞線，長度2.0～3.5 m，配套W型鋼帶和錨索托板，錨索預緊力40～100 kN，以護住表面且不拉跑錨索為準。在自由面第三排錨索下邊緣中部打設(shè)一排管縫式錨桿。管縫式錨桿鋼號不低于Q235，直徑26 mm，長度2.4 m，管壁厚度3.0 mm；管縫錨桿打設(shè)一排(共10根)，間距250 mm。支護布置如圖3所示。

(2)臨時支護：前兩排人工落煤，條件允許時采用掘進機落煤；采用單體支柱+木板方式臨時支護，若空頂范圍較小，則立即進行錨索+鋼帶永久支護。

(3)永久支護：若頂煤穩(wěn)定、支護條件具備，則一次全斷面成巷和支護。若頂煤不穩(wěn)或直接垮落，則分左右兩次掘進成巷和支護；第一次，左側(cè)2.3 m人工挖刨落煤，鋼帶截為原鋼帶一半(2.2 m)。第二次，右側(cè)2.3 m人工挖刨落煤，施工方案與左側(cè)相同。

(4)支護方式和參數(shù)：頂板錨索為?17.8 mm、1×7股鋼絞線，長度5.2 m；W型可調(diào)心錨索托板300 mm×280 mm×14 mm，托板高度52 mm，承載能力350 kN；W型鋼帶規(guī)格4000 mm×280 mm×4 mm；錨索間距900 mm，排距600/700/800 mm，錨索預緊力為150～250 kN。巷幫錨索為?17.8 mm、1×7股鋼絞線，長度4.2 m；拱型可調(diào)心錨索托板300 mm×300 mm×12 mm，高度50 mm，承載能力350 kN；錨索間距900 mm，排距600/700/800 mm，錨索預緊力為80～150 kN。頂幫錨索采用1支雙速樹脂錨固劑MSCK2330+Z2350；金屬網(wǎng)護表，材料為10#鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，搭接方式布滿巷道頂幫，留頂支護布置如圖4所示。

圖3 自由面防護和斷面鎖口支護布置

圖4 巷道留頂煤支護布置圖

5 礦壓監(jiān)測與效果評價

在留頂段某處安裝了頂板離層儀、表面位移和錨索受力測站，監(jiān)測結(jié)果分別如圖5、圖6和圖7所示。

由圖5可知，巷道整體平整度和成型性較好，局部段出現(xiàn)小的鼓包下沉，頂板淺部和深部離層最大值分別為9 mm和11 mm。由圖6可知，巷道頂板最大下沉量約32 mm，兩幫最大移近量約23 mm，圍巖變形占巷道尺寸比例較小。由圖7可知，頂幫錨索初始預緊力和后期受力都較大，且頂幫錨索在初始3 d內(nèi)由初始預緊力快速增大到穩(wěn)定拉力，另外頂板錨索受力比幫錨索大?？偟膩碚f，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形和錨索受力也都處在允許范圍內(nèi)。從現(xiàn)場可知，除局部段頂煤部分或全部垮落至巖層頂板外，80%以上都成功留頂并有效支護。

圖5 頂板離層監(jiān)測

圖6 表面位移監(jiān)測

圖7 錨索受力監(jiān)測

6 結(jié)論

(1)通過斜拉錨索超前支護和管縫錨桿托頂作用，改善施工工藝和支護方案，可有效解決松軟厚煤層頂煤隨掘隨冒難題，有效實現(xiàn)留頂煤掘進支護施工；留頂煤掘進支護可改善巷道條件和支護效果，也為后期綜放回采帶來便利。

(2)高預應力全錨索頂幫協(xié)調(diào)支護，可加強巷幫支護強度和煤壁完整性，恢復和強化圍巖整體性和承載能力，保證巷道安全。改進支護構(gòu)件，實現(xiàn)材料合理匹配，保證支護系統(tǒng)高預應力的成功施加和有效擴散，有利于巷道穩(wěn)定。

(3)“斜拉錨索超前支護+管縫錨桿托頂作用+高預應力全斷面錨索頂幫協(xié)調(diào)支護”的綜合控制技術(shù)有效解決了一定條件下松軟厚煤層留頂煤掘進支護難題，為類似條件巷道提供有利借鑒。