劉世峰 焦作煤業(yè)集團(tuán)趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責(zé)任公司

目前國內(nèi)厚煤層開采的采煤方法主要有：分層、大采高一次采全厚、放頂煤等，受煤體節(jié)理裂隙發(fā)育程度、煤層頂板巖性、煤體硬度等條件影響，大采高一次采全厚和放頂煤開采存在較大的局限性，分層開采仍然是一種適應(yīng)性較強(qiáng)、應(yīng)用較為廣泛的一種采煤方法[1-3]。隨著開采深度的不斷增加，巷道開挖后圍巖的支護(hù)應(yīng)力逐漸增大，底分層巷道如何增加支護(hù)強(qiáng)度，提升支護(hù)效果成為底分層能否實(shí)現(xiàn)高效回采的關(guān)鍵[4,5]。

在厚煤層采用分層時，在頂分層回采過程中，頂板自然垮落并進(jìn)行鋪網(wǎng)、灑水，一般經(jīng)過3 個月以上壓實(shí)銹結(jié)后形成再生頂板，然后沿人工假頂進(jìn)行巷道開挖。由于傳統(tǒng)的底分層巷道一般采用工鋼梯形棚進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度較低，在構(gòu)造帶、交叉點(diǎn)等應(yīng)力增高區(qū)或受采動影響時，巷道變形量較大，尤其在工作面回采過程中，超前壓力影響范圍內(nèi)巷道上方已斷裂的老頂巖塊出現(xiàn)二次旋轉(zhuǎn)，巷道壓力急劇增大，極易出現(xiàn)較大變形[6-10]。

為此，趙固一礦以11052 工作面順槽支護(hù)為工程背景，通過鉆孔窺視、圍巖結(jié)構(gòu)分析、錨索錨固工藝研究等，提出了底分層巷道“架棚一次支護(hù)+錨索二次補(bǔ)強(qiáng)”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并在11052 上下順槽進(jìn)行了成功應(yīng)用，取得了良好的支護(hù)效果，可為類似條件下底分層巷道圍巖控制提供借鑒。

一、工程概況

（一）工作面概況

趙固一礦位于焦作煤田東部、太行山南麓，井田含煤面積43.77km2，總資源儲量3.73 億t，該礦井核定年生產(chǎn)能力300 萬t，礦井采用立井單水平盤區(qū)式開拓，主采二疊系山西組二1 煤層，傾角2～6°，煤厚5～7m，平均厚度5.29m。11052 工作面位于礦井東一盤區(qū)，該盤區(qū)均采用分層開采（分上下兩層），其中11052 對應(yīng)的頂層工作面11051 于2010 年4 月回采結(jié)束。11052 工作面設(shè)計采寬168m，走向長度1172m，煤層傾角-3°～8°。

（二）工作面頂?shù)装鍘r性

工作面開采范圍煤層頂板存在一層均厚約0.4 m 的泥巖，直接頂為均厚1.77m 的泥巖和砂質(zhì)泥巖，老頂為均厚12.37 m 的大占砂巖；直接底為均厚12.4m 的砂質(zhì)泥巖，老底為均厚1.9 m 的L9 灰?guī)r，工作面頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。11051 頂層工作面開采后，偽頂、直接頂、老頂先后垮落，經(jīng)過壓實(shí)銹結(jié)，形成11052 工作面開采頂板。

二、中底層巷道變形破壞原因分析

受中底層巷道布置空間位置、圍巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布等因素影響，分析中底層巷道易出現(xiàn)變形破壞的原因主要有以下幾個方面：

1.中底層回采巷道一般采取內(nèi)錯或外錯形式布置，巷道空間位置處于頂層工作面區(qū)段煤柱的附近。受頂層工作面回采影響，工作面區(qū)段煤柱中的垂直應(yīng)力和平行于中心線方向的水平應(yīng)力呈現(xiàn)集中趨勢，煤柱中心的應(yīng)力明顯高于原巖應(yīng)力，且煤柱兩側(cè)邊緣附近出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)域，從而造成布置在該區(qū)域的中底層巷道變形破壞。

2.中底層巷道的頂板為上分層工作面回采后垮落的破碎巖石重新壓實(shí)、穩(wěn)定、膠結(jié)而成的再生頂板，整體性差，不易形成結(jié)構(gòu)，具有明顯的非連續(xù)介質(zhì)破碎體或塊裂體的性質(zhì)[10]。

3.傳統(tǒng)的工鋼棚式支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度低，工鋼棚一旦出現(xiàn)變形，總體穩(wěn)定性和強(qiáng)度出現(xiàn)急劇下降，造成巷道出現(xiàn)整體失穩(wěn)。

三、垮落銹結(jié)頂板錨網(wǎng)支護(hù)理論分析

傳統(tǒng)的錨桿（索）支護(hù)理論有“懸吊理論”“組合梁理論”“組合拱理論”“減跨理論”“擴(kuò)容-穩(wěn)定理論”等，其中組合拱理論認(rèn)為在巷道圍巖的破裂區(qū)中，安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置的錨桿間距足夠小，各個錨桿的壓應(yīng)力錐體相互交錯，這樣使巷道周圍的巖層形成一種連續(xù)的組合帶（拱），它使巷道圍巖由原來支架上的“荷載”變成了“承載”結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)的目的。

基于“組合拱理論”支護(hù)原理，如果中底層巷道銹結(jié)假頂上方存在可錨固的相對完整巖層，則可通過施工頂板錨索對巷道松散軟軟頂板進(jìn)行加固，從而實(shí)現(xiàn)支護(hù)巷道的目的。

四、11052工作面頂板結(jié)構(gòu)窺視

為掌握底分層工作面頂板結(jié)構(gòu)，對11052 工作面頂板進(jìn)行了鉆孔窺視，窺視結(jié)果如圖2 所示，為確定合理的錨固層位及錨索長度提供依據(jù)。

圖1 工作面頂?shù)装鍘r性情況

圖2 鉆孔窺視圖

由圖2 可以看出，11052 工作面頂板2m 以下頂板極其破碎，孔壁存在大量空洞，2～6m 段孔壁相對完整，但裂隙較為發(fā)育，6m 以上范圍孔壁比較完整，只存在少量縱向裂隙，初步判斷頂板上方6～8m 范圍可作為錨索錨固段。

五、11052工作面順槽支護(hù)形式

11052 工作面順槽沿人工假頂掘進(jìn)，梯形斷面，采用“工鋼棚+錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)。（見圖3）

工鋼棚支護(hù)：工鋼棚采用12#工鋼加工，頂梁長3.8m，棚腿長3.6m，棚距600mm，棚腿扎腳900mm，巷道凈高3.2m，棚后全斷面裱褙荊棍和菱形金屬網(wǎng)。

幫部錨網(wǎng)索支護(hù)：幫部錨索規(guī)格φ17.8×4200mm，間排距1200×1200mm。錨索托盤規(guī)格為200×200×16mm，錨索預(yù)緊力不小于200kN。

頂板錨索梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：頂板錨索規(guī)格φ21.6×8300mm，間排距1200×1200mm，錨索預(yù)緊力不小于200kN，槽鋼梁采用14#槽鋼加工，槽鋼梁平行巷道中線方向布置。

圖3 11052順槽支護(hù)斷面圖

六、頂板錨索施工工藝流程

淺部大鉆孔配合套管護(hù)壁→深部小鉆孔施工→錨索錨固→安裝槽鋼梁→一次張拉預(yù)緊→二次張拉預(yù)緊。具體施工步驟如下：

圖4 中底層頂板索結(jié)構(gòu)示意圖

1.淺部大鉆孔施工

由于頂板以上2m 范圍內(nèi)巖層極其破碎，直接施工錨索鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，成孔非常困難。為解決此問題，主要采取套管護(hù)壁的方式解決，具體操作為：頂板以上2m 范圍內(nèi)采用φ50mm 鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，然后安裝內(nèi)徑40mm 的PVC 管進(jìn)行護(hù)壁。

2.深部小鉆孔施工

由于頂板以上2～8m 范圍巖層相對完整，直接采用φ28mm 鉆頭施工至設(shè)計孔深（8m）。

3.錨索錨固

鉆孔施工完成后，使用Z2350 錨固劑進(jìn)行錨索錨固，每根錨索設(shè)計3 支錨固劑，錨固長度1.5m 以上。如果鉆孔破碎，適當(dāng)增加錨固劑數(shù)量。

4.安裝槽鋼梁

一組錨索錨固完成后，安裝槽鋼梁，槽鋼梁采用14#槽鋼加工，梁長3m，一梁三索，錨索孔間距1.2m。

5.一次張拉預(yù)緊

槽鋼梁安裝完成后，使用錨索張拉機(jī)具對錨索進(jìn)行預(yù)緊，設(shè)計預(yù)緊力不小于200KN。如果巷道頂板錨索錨固段空隙較多，錨固效果難以保證時，采取頂板注化學(xué)漿加固或施工注漿錨索的方式進(jìn)行解決。

6.二次張拉預(yù)緊

順槽頂板錨索施工完成后，在工作面回采過程中，由于受采動影響，頂板繼續(xù)壓實(shí)，頂板錨索梁會出現(xiàn)松動。要求在工作面超前50m 范圍內(nèi)對頂板錨索進(jìn)行二次預(yù)緊。

圖5 自制鉆頭及PVC套管

七、實(shí)施效果

自2019 年以來，趙固一礦已累計實(shí)施頂板錨索支護(hù)巷道5150m，均取得了良好的支護(hù)效果。順槽頂板錨索的成功實(shí)施，巷道支護(hù)強(qiáng)度大大提升，巷道支護(hù)面貌得到徹底改善，實(shí)現(xiàn)了中底層工作面順槽零返修，并以錨索梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工作面原有的“單體柱+π 型梁”超前支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了無單體柱超前支護(hù)。兩巷支護(hù)效果的提升為工作面高效回采奠定了基礎(chǔ)，自去年以來趙固一礦中底層工作面單日最大回采進(jìn)度10.8m，月度最大推進(jìn)度達(dá)到200m 以上。同時中底層頂板錨索在趙固一礦的成功實(shí)踐也為類似條件下其他礦井中底層工作面順槽巷道支護(hù)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。