巷道破碎顶板支护技术方法与优化

2015-03-24张校春李东洞

河南科技 2015年8期

张校春李东洞

（中国平煤神马能源化工集团平煤股份八矿，河南平顶山 467000）

伴随着平顶山煤田开采的高度和开采强度的增加，巷道的断面也在逐步增大，导致大断面巷道顶板的稳定性问题越来越突出，这不仅仅加大了工程量以及维护难度，还造成矿井生产的接续紧张，限制了平顶山煤田的又好又快发展。平顶山煤田的大断面巷道破碎顶板失稳和变形问题，给安全生产带来了极大的隐患。弄清巷道顶板失稳和变形的原理，并且使用合理的控制方法，改良顶板的受力状态以及围岩环境，会给煤矿的安全高效生产带来重要的保证。

1 工程的地质环境特征

平顶山煤田位于河南省中部平顶山市，是我国13个主要煤炭生产基地之一。平顶山煤田处在市区东部，北依焦赞山，南临平安大道，东与许昌市襄城县毗连，距许平南高速公路7 公里，西距市中心11 公里，311 国道、孟（庙）宝（丰）铁路穿境而过。矿区铁路专用线从储煤仓直达田庄集配站和武汉铁路局平顶山东站，与孟宝铁路相连，矿井的年生产能力约1 000 万吨，是我国国内大型现代化高效高产的矿井。

平顶山煤田现在主要采煤层是2#煤，2#煤层一般厚度7.27m左右，通常倾角为10°。2#煤层顶板节理裂缝发育，遇到水容易变软。煤层当中节理发育，顶板的围岩破碎，受开采和扰动的影响，节理非常容易改变成裂隙，从而导致顶板和煤层片帮冒落。平顶山煤田巷道的掘进是以沿顶板掘进为主的，当中大断面巷道占据全矿井井巷的3/4以上。

依照2#煤层顶底板岩性以及物理力学特征测试，2#煤层顶底板岩性是泥岩、粉砂岩以及炭质泥岩。直接顶一般可以分成两个岩性区，也就是粉砂岩泥岩区和砂岩区。砂岩区是细粒砂岩和粗粒砂岩，岩石大多比较完整，裂隙不很发育，属于中等易冒落比较稳定的岩层。粉砂岩泥岩区是砂质泥岩、粉砂岩，岩石很完整，质地较软，节理裂缝很少，属于中等冒落比较稳定的岩层。底板除了井田中部（十六线到五十二线间）大多是细粒砂岩外，剩余的全是粉砂岩，泥岩排第二，岩石比较完整，裂隙、节理不是很发育，属于中等比较稳定的岩层。

2 顶板的失稳特征以及分析

依照现场调研情况，矿井破碎顶板失稳特性主要有以下两个原因：

2.1 地质构造的因素

西部地区强烈的断裂活动和结构变形通常会导致破碎岩体。受到地震的影响，破碎岩体非常容易松弛，解脱咬合，结构的联结减弱，容易出现滑落。平顶山煤田的巷道一般是沿着2#煤层顶板掘进的，2#煤层顶板伪顶是碳质泥岩，遇到水非常容易膨胀和弱化，并且层理发育，容易破碎。2#煤层顶板直接顶是粉砂岩，拥有显著的垂直节理与水平层理，各个节理之间泥质胶结不是很牢靠，形成很多的滑面，这些滑面成为这段顶板岩石的弱面，在垂向载荷的作用下，会演变为局部失稳。而且直接顶到泥质胶结的粉砂岩很不均匀的，这层非稳定的岩层对顶板岩层的变形和破坏起到了一定保护作用，在粉砂岩层变厚区域其厚度超过了巷道锚杆锚固的高度，非常容易导致顶板失稳和垮落。

地质动力以及地下水作用导致岩层移动突变和变异，很容易导致围岩裂缝发育，岩体的整体性遭到破坏，这对顶板岩体的稳定性是非常不好的。

2.2 支护设计因素

巷帮的损坏直接影响到顶板的稳定性。平顶山煤田巷道两帮出现软弱夹层，受到采动的影响，巷道强度比较弱的薄弱层结构体首先屈服变形，并且对巷帮造成了一定的水平拉应力，导致巷帮承载能力降低，假如巷帮设计的锚杆强度比较脆弱，就会导致围岩的损坏程度增加，顶板失稳。如平顶山煤田Y110205上运巷两帮的设计就应用了玻璃钢锚杆进行支护，因为其强度很低，在采动的影响之下，玻璃钢锚杆大部分都被拉断了，导致巷帮失稳，围岩应力再次分布，顶板在靠近煤壁断裂，出现巷道局部（漏）冒顶的事故。

巷道的断面不一样，其空间位置下围岩的应力分布也不相同。平顶山煤田回采巷道的断面全是异矩形的断面，在巷道的肩窝处，岩体破碎非常严重，如果不增强支护，受采动影响很容易使肩窝处的煤帮和顶板被破坏，导致失稳的顶板出现断裂的事故。

3 治理措施以及解决办法

平顶山煤田运用集团倡导的“大范围控制和小范围（局部）治理”的理念，以及西安科技大学提出的面对多层次多目标的支护体系和模式，有效的改良了巷道的顶板稳定性。

3.1 建立巷道顶板超前地质保障系统

矿井的巷道支护和设计一定要建立在可靠、充分的超前地质保障的技术基础之上。探测开采地质条件，创建超前的地质保障系统，能够帮助搞清巷道顶板变形和失稳的内在因素，查清地质因素对矿井开采时顶板稳定性受影响的程度，对地质量化进行预测，用钻探、物探等技术方法，实现生产地质顶板工作的动态管理，及时调整工作面和巷道支护参数，最大程度上减少支护成本，保障矿井的高效安全开采。

3.2 建设矿井顶板动态控制系统

平顶山煤田实行区域的责任制，强化现场的施工，并且对施工以后的锚杆（索）做锚杆（索）拉拔实验进行支护效果的检查，与此同时增加矿井回采巷道以及掘进巷道顶板变形失稳的日常检查。在掘进巷道和回采巷道，每五十米布置一组“十字布桩”以及顶板离层观测站，对巷道的顶板离层量和顶底板变形量进行常规检查，保证可靠数据的提供，并且对日常检查数据汇总成报表，每周都进行分析和总结。对顶板变形和失稳的区域，运用“黄、橙、红”顶板维护的管理模式。