劉 江

（同煤集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

挖金灣煤業(yè)5133 綜采面所處地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，煤層厚度 5.81～13.26m，平均為 9.70m，可采性指數(shù)Km=1，煤厚變異系數(shù)γ=24.1%，為該區(qū)主要穩(wěn)定可采煤層。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含夾石 2～5 層，局部多達(dá) 8 層。夾石單層厚度一般不大于0.40m，煤層頂板多為泥巖，局部為粉砂巖、細(xì)砂巖，底板多為泥巖，局部為中細(xì)砂巖，頂板穩(wěn)定性差，在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)頂板的破斷、垮落，給綜采作業(yè)安全造成了極大的影響[1]。為了提升綜采作業(yè)的安全性，挖金灣煤業(yè)組織了安全改善小組，對(duì)5133綜采面巷道頂板破斷的原因進(jìn)行了分析，提出了以巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)為核心的改善方案，實(shí)際應(yīng)用表明該加強(qiáng)支護(hù)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)效率高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，極大地提升了井下巷道頂板的穩(wěn)定性。

1 巷道頂板破斷現(xiàn)象及原因分析

5133 綜采作業(yè)面的運(yùn)輸巷為矩形斷面，尺寸為5.2m×3.6m。巷道內(nèi)頂錨桿之間的排距為900mm，金屬網(wǎng)采用100mm×100mm，錨索直徑為17.6mm，長(zhǎng)度為9.2m，設(shè)置時(shí)與巷道頂板相垂直；巷道兩幫各設(shè)置了四組螺紋鋼錨桿，金屬護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)同樣為100mm×100mm。在實(shí)際應(yīng)用中，其頂板頻繁出現(xiàn)破斷下沉，最大的沉降量約為1200mm，表現(xiàn)為錨桿脫落、鋼索撕裂，特別是在井下綜采面回采震動(dòng)或者礦壓的影響下，頂板破斷導(dǎo)致出現(xiàn)懸吊煤網(wǎng)兜現(xiàn)象[2]。同時(shí)頂板的破斷也會(huì)導(dǎo)致巷道兩側(cè)煤幫出現(xiàn)較大的垮落現(xiàn)象，造成巷道兩側(cè)錨桿脫落、煤幫外鼓等。5133 綜采作業(yè)面巷道頂板破斷現(xiàn)象如圖1 所示。

圖1 5133 綜采巷頂板破斷導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形示意圖

通過(guò)對(duì)煤礦井下綜采面地質(zhì)情況的分析，5133綜采面頂板的破斷主要可分為煤層破斷引起、夾矸層的變形引起以及二者綜合作用下產(chǎn)生的巷道頂板的破斷。經(jīng)綜合分析，對(duì)頂板破斷影響最大的因素包括巷道的寬度、底板巖層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和頂板支護(hù)可靠性三個(gè)方面，其共同作用下導(dǎo)致煤層破斷、夾矸層變形，最終導(dǎo)致了煤礦井下巷道頂板的破斷。

2 頂板支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)5133 綜采面的實(shí)際情況，結(jié)合井下支護(hù)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和支護(hù)效率，采用了錨桿支護(hù)+鋼筋網(wǎng)再配合錨索聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)。錨桿呈矩形方式排列，每一排設(shè)置六組直徑為20mm 的螺紋鋼錨桿，同時(shí)設(shè)置一組直徑為6.5mm、尺寸為5400mm×1000mm 的鋼筋網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。各個(gè)錨桿在設(shè)置時(shí)必須壓茬處理，搭接長(zhǎng)度不少于200mm。在錨桿和鋼筋網(wǎng)搭接的位置，每隔100mm 需要用鋼絲進(jìn)行鎖緊，每股鎖緊鋼絲繩旋緊不得少于3 扣。

錨索支護(hù)時(shí)，采用和井下巷道頂板相互垂直的布置結(jié)構(gòu)。錨索支護(hù)同樣采用矩形布置方式，每一排設(shè)置3 根錨索，錨索之間的距離不小于3m。在支護(hù)時(shí)采用直徑為21.8mm 的錨索配合π 字型結(jié)構(gòu)的鋼梁進(jìn)行加固[3]，各個(gè)錨索之間的距離設(shè)置為1500mm。

巷道非回采側(cè)的支護(hù)，選擇直徑為20mm 的螺紋鋼錨桿配合菱形金屬護(hù)網(wǎng)支護(hù)的方案。每排錨桿設(shè)置3 根，錨桿之間的距離為1100mm，設(shè)置到距離頂板300mm、距離底板700mm 的位置。錨桿設(shè)置位置必須進(jìn)行壓茬處理。在錨桿和鋼筋網(wǎng)搭接的位置，每隔200mm 需要用鋼絲進(jìn)行鎖緊，每股鎖緊鋼絲繩旋緊不得少于4 扣。

在巷道的回采側(cè)幫，采用直徑為27mm 的玻璃鋼錨桿配合雙層塑料護(hù)網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。每排設(shè)置3 組錨桿，各個(gè)錨桿之間的距離為1100mm。5133 綜采面巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 煤礦井巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3 多支護(hù)結(jié)構(gòu)控制方案與應(yīng)用效果

根據(jù)煤礦井下的實(shí)際地質(zhì)條件，為了確保5133綜采面巷道頂板的穩(wěn)固性，在巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又提出了一種新的多支護(hù)結(jié)構(gòu)體聯(lián)合控制方案，應(yīng)對(duì)復(fù)雜條件下的巷道支護(hù)。該聯(lián)合支護(hù)方案以巷道錨索支護(hù)為基礎(chǔ)，形成了以高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)、單體錨索—桁架錨索與短錨索相互配合的強(qiáng)化支護(hù)方案。該多支護(hù)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

圖3 煤礦井下多支護(hù)結(jié)構(gòu)體控制體系示意圖

通過(guò)對(duì)挖金灣煤礦井下5133 綜采面頂板破斷原因的分析，針對(duì)性地制定了頂板控制方案，通過(guò)對(duì)巷道支護(hù)方式優(yōu)化，配合多支護(hù)體結(jié)構(gòu)控制方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下頂板支護(hù)的有效控制。在挖金灣煤礦的實(shí)際應(yīng)用表明，該支護(hù)方案具有支護(hù)效率高、經(jīng)濟(jì)性好、材料消耗少的優(yōu)點(diǎn)，能夠極大地提升井下支護(hù)作業(yè)效率和支護(hù)穩(wěn)定性。自2018年支護(hù)完成后，經(jīng)過(guò)一年的跟蹤測(cè)量，巷道內(nèi)未見(jiàn)有新的頂板破斷、分層現(xiàn)象，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性。優(yōu)化后的井下支護(hù)情況如圖4 所示。

圖4 5133 綜采面支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

為了提升挖金灣煤礦井下5133 綜采面巷道頂板穩(wěn)定性，提升煤礦井下綜采作業(yè)安全性和效率，項(xiàng)目組對(duì)井下巷道破斷現(xiàn)象和原因進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果針對(duì)性地制定了巷道支護(hù)、多支護(hù)結(jié)構(gòu)體控制方案，實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）對(duì)頂板破斷影響最大的因素包括巷道的寬度、底板巖層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和頂板支護(hù)可靠性三個(gè)方面，其共同作用下導(dǎo)致煤層破斷、夾矸層變形，最終導(dǎo)致了煤礦井下巷道頂板的破斷。

（2）多支護(hù)結(jié)構(gòu)體聯(lián)合控制方案，以巷道錨索支護(hù)為基礎(chǔ)，形成了以高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)、單體錨索—桁架錨索與短錨索相互配合的強(qiáng)化支護(hù)體系，能夠極大地提升煤礦井下巷道頂板支護(hù)的穩(wěn)定性。

（3）支護(hù)方案具有支護(hù)效率高、經(jīng)濟(jì)性好、材料消耗少的優(yōu)點(diǎn)，能夠極大地提升井下支護(hù)作業(yè)效率和支護(hù)穩(wěn)定性。