頂板破碎煤層聯(lián)合支護(hù)方式的改進(jìn)

曹海龍

(大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037000)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對于能源的需求日益增加，煤炭作為我國主要能源之一，對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要影響，如何確保煤炭安全高效的開采成為整個行業(yè)面臨的重大難題[1-2]。在煤炭開采過程中，頂板事故是礦井發(fā)生頻率較高，危害較大的事故之一，因此煤層頂板安全有效的支護(hù)一直是礦井安全作業(yè)的重中之重[3]。

為充分保障井下的安全生產(chǎn)作業(yè)，推動煤礦企業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，需要對石炭系煤層頂板進(jìn)行安全可靠的支護(hù)。當(dāng)前，針對于中厚煤層破碎頂板采用的支護(hù)方式主要有“錨網(wǎng)索”“錨網(wǎng)索+架棚”“全錨索+金屬網(wǎng)”以及架棚支護(hù)等[4-6]。然而，傳統(tǒng)的常規(guī)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)逐漸難以實現(xiàn)對石炭系煤層破碎頂板的有效支護(hù)[7-9]。為解決這一問題，結(jié)合石炭系煤層開采特點和實際情況，在傳統(tǒng)的常規(guī)錨桿+錨索支護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)上提出一種主動支護(hù)與被動支護(hù)相結(jié)合的頂板聯(lián)合支護(hù)方式。

1 支護(hù)技術(shù)

1.1 頂板巖性

大同礦區(qū)賦存著侏羅紀(jì)系煤層和石炭系煤層，其中，石炭系煤層穩(wěn)定性差且頂板結(jié)構(gòu)情況復(fù)雜，該煤層頂板巖性情況見表1。隨著對石炭系煤層的開采，煤層頂板局部容易出現(xiàn)火成巖侵入，這增加了煤層頂板的壓力，容易造成頂板的破碎，甚至發(fā)生冒頂事故，嚴(yán)重威脅到井下工作人員的生命安全和企業(yè)財產(chǎn)安全。

表1 石炭系煤層頂板巖性

1.2 錨桿+錨索支護(hù)

將高質(zhì)量的錨桿+錨索同時設(shè)置在頂板巖層中，能夠發(fā)揮出它們的加固作用。錨索自身的工程延伸量小，促使煤層頂板在其變形范圍內(nèi)產(chǎn)生松動破壞區(qū)減小[10-13]。合理設(shè)置錨桿能夠有效對煤層頂板下分層的巖體起到穩(wěn)固作用，促使它和頂板上分層結(jié)合成一個有機(jī)的整體，從而保證了頂板的安全穩(wěn)固性。并且，由于錨索長度能夠有效深入到巷道頂部較深位置的穩(wěn)定巖層中，這樣就可以進(jìn)一步對錨桿支護(hù)能力進(jìn)行補強，同時對巷道頂板深部巖層進(jìn)行大應(yīng)力預(yù)緊加固，將頂板過于松動范圍的巖層有效懸吊在深部穩(wěn)定巖層當(dāng)中。錨桿+錨索支護(hù)是目前煤層頂板支護(hù)應(yīng)用較為有效的一種主動支護(hù)方式。

1.3 局部鋼針+架棚支護(hù)+噴漿處理

鋼針支護(hù)是將鋼針插入預(yù)先設(shè)計頂板的位置，使鋼針在未掘進(jìn)煤體內(nèi)形成假頂，利用鋼針穩(wěn)固頂板破碎煤層，對破碎頂板起到超前支護(hù)的作用。待鋼針固定在煤層頂板上方以后，直接在鋼針下方打頂板鋼帶及相應(yīng)的錨桿+錨索支護(hù)，從而有效固定破碎的煤層頂板。架棚支護(hù)作為一種被動支護(hù)技術(shù)，通常使用工字鋼或U型鋼棚子對煤層巖體進(jìn)行局部補強支護(hù)，在提高頂板可靠性、穩(wěn)定性方面起到很大的作用。噴漿處理能夠及時封閉裸露的巖石，防止其進(jìn)一步風(fēng)化。因此，在煤層巖性較差以及頂板壓力較大發(fā)生破碎時，采取局部鋼針+架棚支護(hù)+噴漿處理組合的被動支護(hù)方式可顯著提高支護(hù)效果，減少事故的發(fā)生。

2 聯(lián)合支護(hù)方式的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)思路

根據(jù)石炭系煤層的實際情況，提出一種以錨桿+錨索(頂錨索+角錨索)+金屬網(wǎng)+組合錨索為承載結(jié)構(gòu)，配合對特殊巖層局部串鋼針支護(hù)+局部架棚+噴漿的改進(jìn)聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+組合錨索的承載結(jié)構(gòu)作為一種主動支護(hù)形式，對煤層地質(zhì)條件的適應(yīng)性強，而且能夠顯著提高頂板的承載能力，有效保證了煤層頂板的穩(wěn)定性。由于石炭系煤層頂板的巖層環(huán)境可能存在部分強度較低的灰?guī)r與砂巖，僅采用單一性的錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+組合錨索支護(hù)方式難以使頂板的加固處理達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定效果，可能導(dǎo)致煤層頂板出現(xiàn)大面積的破碎現(xiàn)象。因此，針對這類特殊巖層，在原有的承載結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加局部鋼針+局部架棚+噴漿等被動支護(hù)方式，能夠有效地提高頂板破碎煤層的穩(wěn)定性，達(dá)到最佳的頂板支護(hù)效果。

2.2 施工步驟

改進(jìn)后的聯(lián)合支護(hù)方式具體施工步驟如圖1所示。在掘進(jìn)過程中，首先觀測頂板煤巖情況，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果及以往煤層頂板支護(hù)經(jīng)驗，確定錨桿、錨索和金屬網(wǎng)的長度、直徑以及其相應(yīng)的位置和相互之間的間排距。對局部頂板破碎嚴(yán)重段增加組合錨索支護(hù)如圖2所示，其中組合錨索為5根錨索配備鋼托盤，錨索為兩根6 m錨索、兩根8 m錨索，一根10 m錨索，6 m和8 m錨索對角布置，10 m錨索居中布置。如遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造帶，即巖體中灰?guī)r及砂巖的成分較多，在原有支護(hù)結(jié)構(gòu)上再增加局部串鋼針支護(hù)和局部架棚支護(hù)，最后在煤層表面進(jìn)行噴漿處理，噴漿厚度不小于0.1 m，以保證頂板穩(wěn)定性和施工安全性。

圖1 改進(jìn)的聯(lián)合支護(hù)流程

圖2 組合錨索結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

由于石炭系煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對煤層頂板支護(hù)的穩(wěn)定性要求勢必增加，尤其是在開采結(jié)構(gòu)復(fù)雜、頂板破碎的煤層時，傳統(tǒng)錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式可能無法有效保障開采的安全性和穩(wěn)定性。在錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上結(jié)合多種支護(hù)方式進(jìn)行安全支護(hù)，能夠有效提高石炭系中厚煤層頂板破碎時的支護(hù)強度，使煤層頂板的穩(wěn)定性和安全性得到顯著增強。此外，該支護(hù)方式結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，有效提高了安全性和開采效率，對煤礦企業(yè)的長久持續(xù)發(fā)展具有較大意義。