杨庄煤矿深部火成岩侵蚀复合顶板下“三软”煤层支护研究与应用

杨庄煤矿深部火成岩侵蚀复合顶板下“三软”煤层支护研究与应用

发表时间：2016-11-14T11:05:09.577Z 来源：《基层建设》2016年15期作者：李遵明

[导读] 摘要：随着煤矿开采深度的增大，复合顶板的离层破碎问题越来越突出。如何消除冒顶、片帮，有效维护复合顶板和两帮稳定，控制围岩变形，提高围岩整体稳定性，已成为确保煤矿安全生产的关键。

安徽省淮北矿业集团杨庄煤矿

摘要：随着煤矿开采深度的增大，复合顶板的离层破碎问题越来越突出。如何消除冒顶、片帮，有效维护复合顶板和两帮稳定，控制围岩变形，提高围岩整体稳定性，已成为确保煤矿安全生产的关键。杨庄煤矿IV5210工作面巷道埋深已近 800 米，属深部典型的“三软”煤层，通过岩体分析、数值模拟和现场实测，提出了“强顶、固帮”的支护对策和新的支护形式，以锚索支护为主，巷道顶板采用“2-1-2”布置，顶板松软岩层较厚及破碎地段，锚索适当加长。结果表明，该支护方案有效控制了巷道围岩变形，满足了“三软”煤层巷道支护的需要。关键词：深部复合顶板 “三软”煤层支护

1. 工程概况

1.1Ⅳ5210 工作面概况

杨庄煤矿位于淮北市南约 8km 处，矿井可采煤层共有四层，分别为 6 层、5 层、4 层及 3 层。本次项目研究的 IV5210 工作面位于5煤层，工作面标高范围

-715～-512m，地面标高+31.5m。据已有资料分析该面地质构造较复杂，煤层倾角变化大，在 9～21°之间，平均 15°，局部煤层受火成岩侵蚀，且存在变薄现象，面内共有 7 条断层，最大断层落差达 8m。

IV5210 工作面机风巷沿煤层走向布置，跟 5 煤层顶板施工，直接顶为灰黑色泥岩，裂隙发育，厚度不稳定，平均厚度为 3.9m；老顶为 4 煤，4 煤大部分被火成岩侵蚀，厚度不稳定，平均厚度为 6.8m；直接底为灰黑色泥岩，平均厚度为 6.7m，老底为浅灰色砂岩，平均厚 4.8m。

1.2 现存主要问题

根据工程类比法，Ⅳ5210 工作面机、风巷支护形式采用锚带网连锁棚支护。为了保证煤矿的安全生产，杨庄煤矿在IV5210 工作面回采巷道掘进期间及时布置了矿压显观测点。通过现场观测，目前存在以下问题：

(1) 围岩变形量大。为对原方案的支护效果进行监测，在Ⅳ5210 工作面机巷试验段每个30m设置一个测站，共两个测站，在 50d 的观测时间内，两帮移近总量最大约为459mm，平均移近速率为9.18mm/d，顶底板移近总量达349.3mm，平均移近速率 6.98mm/d。

(2) 网兜现象明显。由于机巷顶板为复合顶板且老顶被火成岩侵蚀，离层量大，采用原支护方案的巷道近一半以上显现出网兜的现象，一些锚杆和锚索发生弯曲变形，失去了组合支护抵抗围岩变形的能力。

(3) 支护体实效严重。通过现场观察，在使用原支护方案的近 120m 的巷道范围内，锚杆、锚索多处掉落，钢带发生剪断，失去承载能力。

以上问题给煤矿的安全生产带来了较大隐患，因此，有必要对该矿现有的支护方案进行优化。

2. Ⅳ5210工作面围岩破坏机理分析

2.1 巷道顶板裂隙带分布特征

本次利用 YSZ（B）钻孔窥视仪对巷道围岩状态进行成像分析，分析巷道围岩裂隙分布特征，确定围岩松动圈分布范围，机巷和风巷分别设 3个测点，共 6 个测点，每个测点共布置三个窥视孔，孔径为 42mm，两帮孔深 5m，顶板孔深 6m。紧跟掘进迎头进行测点的分段布置，相邻测点间距为 30m，钻孔布置图如图 1-1 所示。

图1-1 观测点窥视孔布置图

通过对机风巷顶板局部岩层观测结果分析，可得机巷和风巷分别在现有支护方案下，巷道围岩裂隙分布成像图如图 1-2所示。

顶板孔深：0.5~1.3m 顶板孔深：1.5~1.9m

顶板孔深：2.0~4.5m 顶板孔深：4.5~6.0m

图 1-2：机巷顶板裂隙分布成像图

根据巷道围岩裂隙分布成像图可知巷道围岩裂隙带分布主要特征为：孔壁裂隙以上下震荡的形式由孔底向孔口呈连续不均匀分布，相邻裂隙最大间距0.5m，最小裂隙间距为0.1m，且距孔口0～4m 范围内，裂隙分布间距变化幅度较大，由孔底向孔口裂隙沿孔壁呈不均匀分布，裂隙分布集中区段范围大致位于0.1m～4.0m，裂隙间距多为 0.1m，往深部发展裂隙分布间距逐渐增大，裂隙发育趋于稳定。

2.2巷道顶板裂隙带成因分析

(1) 巷道处于大埋深、高地应力、仰山掘进，所处的地质力学环境较复杂，且受地质构造影响，应力集中现象较普遍。

(2) 老顶 4 煤受火成岩侵蚀后，岩层层间分布不稳定，有岩层缺失现象，且层间粘结性差，巷道在掘进过程中，易出现层间离层显现，致使顶板浅部产生较大离层量，钻孔窥视仪观测发现，巷道离层与岩层层间裂隙带分布有关。

(3) 支护不及时，支护参数和施工过程不能实现耦合支护。

2.3 深部煤巷底臌严重因素分析

深部煤巷影响底鼓的因素往往较为复杂，其主要影响因素有：围岩应力、底板岩性、巷道支护、巷道布置及断面等。

(1) 高围岩应力：Ⅳ5210 机巷与风巷埋深约 800m，处于高地应力环境，巷道开挖后原岩应力受到破坏，围岩内应力重新分布，围岩受力状态发生变化，使得围岩产生塑性区域。巷道围岩所受应力超过了巷道围岩的极限承载强度，致使底臌严重。

(2) 底板为煤层：该工作面机巷和风巷不仅所处高地应力环境，老顶受火成岩侵袭严重，老顶自身承载能力降低，两帮为煤帮，裂隙发育程度高，且底板为煤岩层，致使两帮的垂直应力使得底板煤岩层发生剪切破坏，底板稳定性降低，底板底臌量增大。

(3) 未实现耦合支护：该工作面机巷与风巷的现有支护形式的支护参数不合理，出现所需支护强度与围岩压力不相匹配，巷道掘进速度与支护时机不匹配等现象，间接引起底板底臌的发生。

3.Ⅳ5210 工作面机、风巷支护方案优化设计

3.1 机、风巷支护方案优化研究

通过现场调研及理论分析，在不增加煤矿支护成本即不改变原支护方案（方案一）中锚杆（索）材质、直径、长度及锚固长度的基础上，针对锚杆（索）布置方式，提出了以下支护方案：

（1）方案一（原支护方案）

巷道高2550mm、宽4000mm，巷道顶板锚杆选用 φ22×2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆配合 L4000M4 型钢带进行支护，同时加挂菱形网，间距 800mm，排距 800mm，顶板两边锚杆各向外倾斜 10°；帮部锚杆选用φ22×2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆配合

L2800M4 型钢带进行支护，同时加挂菱形网，间距800mm，排距800mm；顶板锚索选用φ17.8×6300mm 钢绞线，间距2000mm，排距2400mm，每孔采用一节 K2535 树脂卷（置于孔底）和两节 Z2550 树脂卷加长锚固，预紧力 80 KN -100KN。

（2）方案二

巷道高 2550mm、宽 4000mm，巷道顶板锚杆选用 φ22×2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距 800mm，排距 800mm，顶板两边锚杆各向外倾斜 10°；帮部锚杆选用 φ22×2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距 800mm，排距 800mm；顶板锚索选用

φ17.8×6300mm 钢绞线，间距 1600mm，排距 800mm，呈“2-1-2”布置。

（3）方案三

巷道高 2550mm、宽 4000mm，巷道顶板锚杆选用 φ22×2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距 800mm，排距 800mm；帮部锚杆选用 φ22×2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距 800mm，排距 800mm，左右帮部底锚杆各向下倾斜 30°；顶板锚索选用

φ17.8×6300mm 钢绞线，间距 2000mm，排距 2400mm。

3.2支护效果分析

1、根据巷道变形云图分析，无支护时巷道变形主要以巷道底板下沉为主，最大下层量达到 70cm，且其直接导致巷道两帮上部的围岩变形也显著增大，这与杨庄煤矿 IV5210 工作面机巷的现场变形情况基本相符，且其底板的变形破坏特征是以两底角的变形而带动整个