1、专题部分复合顶板条件下的回采巷道支护问题探讨摘要：回采巷道的支护管理是煤矿开采工作管理的重点和难点，对于复合顶板条件下的回采巷道支护方式的管理则显得更为重要。本文主要是对在复合顶板条件下的回采巷道支护方法、一些基本概念和技术手段等进行分析探讨，为复合顶板条件下的回采巷道支护问题提供一些经验参考及理论上的支持。关键词：复合顶板、回采巷道、支护0 复合顶板的概念及其特点0.1 复合顶板的概念复合顶板是指：煤层顶板由下软上硬不同岩性的岩层组成,软硬岩层间夹有煤线或薄层软弱岩层（如泥岩、炭质页岩等）,下部软岩的厚度一般为0.5m-2.0m之间的顶板。0.2 复合顶板的特点复合顶板的特点表现为：直接顶本
2、身比较容易破碎，且易发生离层，端面顶板易胃落，采场支架易失稳，造成推垮型冒顶事故。以上三情况，都可归纳为复台顶板的稳定性。它是影响工作面正常生产的重要因素。研究复合顶板的稳定性，对控制好复合顶板具有重要实践意义。1在采动影响范围内的回采巷道矿压显现特征经过广泛的调查了解，并对工作面回采巷道进行详细的统计数据分析来看观测，得出回采巷道在回采工作面前方采动影响下，矿压显现的基本特征。（1）围岩活动剧烈。巷道掘进后, 顶板即出现了较明显的变形和破坏，在工作面前方采动引起的集中应力作用下，巷道顶板进一步离层、折断、冒落, 并伴随煤壁片帮更趋严重，巷道断面严重收缩，断面收缩率最高达60%，即高度为0.6
3、m，宽缩小为2 m，如图1-1 所示。由于断面急剧收缩，使人员行走、材料运输十分困难，难以满足通风要求。工作面运输机无法与运输平巷内的运输机正常搭接。为了解决运输机搭接问题，维系工作面生产一度采用工作面下出口巷道放顶办法，放顶高度达2-3 m，以致老顶悬露，无法进行有效支护。如图1-2。（2）巷道支架破损严重，被迫多次翻修。由于围岩的剧烈活动，巷道内掘进时所支设的支架已基本不能承受动态顶板压力的作用，矿用工字钢梁弯曲变形及大量支柱压折压坏，难以保持正常安全生产所需的巷道有效空间，为此，在原支护的基础上再重新套设棚子，巷道围岩活动剧烈处，最多套修了3 次棚子。这种作法的结果，不仅造成了人力、物力
4、、财力的巨大投入，而且使巷道的断面急剧缩小，加剧了生产的困难状况。（3）巷道提前报废，超前工作面掘进短平巷。由于回采工作面采动影响范围内，回采巷道围岩剧烈活动及巷道断面有急剧收缩，常导致该段巷道无法使用而提前报废，被迫在巷道内侧超前掘进短平巷与原巷联通，构成回采工作面的生产系统。因此增加了工作面生产环节，并造成回采煤量的损失，引起资源浪费。总之，回采巷道矿压显现剧烈， 给回采工作带来极严重的影响，找出回采巷道矿压显现剧烈的原因，采用有效的巷道支护形式，是煤矿现实生产的迫切要求。复合顶板下回采巷道受压破坏实际情况以某矿11#煤层回采巷道受压破坏情况为例，见表1-1：表1-1 11#煤层回采巷道受
5、压破坏情况图1-1 巷道断面收缩示意图图1-2 巷道顶板及冒落示意图2 复合顶板下回采巷道围岩和支护作用关系分析以前的矿井采用的是矿用工字钢梁加木柱腿的棚式支护, 支架与顶板及两帮的空隙间充以杂木或圆木刹杆及水泥背板。该种支护方式属于初期柔性(垫板及浮矸和浮煤的压缩形) ， 既而刚性的支护方式。在支护几乎未起作用的一段时间里，顶板岩层已经产生较大的变形，甚至离层和断裂，围岩的完整性和整体强度大大降低。随着围岩的变形和破坏的发展，支架对围岩产生以木支柱为主的近似刚性的被动支撑作用，而此时，由于顶板岩层已发生离层及局部破坏，造成部分支架失效而使顶板压力转移，支设在较完整顶板下的支架，既要承受由于刚
6、性特性而产生的较大的载荷，又要承受失效支架转移的部分载荷，势必造成逐个被击破的不利情况，巷道中的表现即为顶梁弯曲变形、柱腿压裂折断，顶板过度变形破坏。综上所述，对于这种典型的复合顶板，应用现代的支护理论和成果，采用有效的支护手段，提高顶板的刚度和强度，有效地控制顶板及两帮煤体的早期变形，是解决回采巷道支护问题的技术关键和唯一有效途径。3 巷道围岩控制方法所谓巷道围岩控制，是指控制巷道围岩应力和周边位移措施的总和，其目的是为了保证巷道的正常使用，为安全生产创造必要的条件。围岩应力、围岩强度及巷道支护是决定巷道围岩稳定的三大要素。从巷道支护方式历史沿革来看，经历了架棚支护，包括木棚和钢棚，后来发展
7、到锚杆支护，以及发展到目前的以锚杆为主的联合支护技术。由于锚网索支护具有独特的优越性，因此在现场得以广泛应用。3.1 锚杆的作用锚杆形成承载基础，既然锚杆支护无法阻止深层岩体的松动，那么也无需特别提高顶板支护体强度，只需把锚杆的延展性、高抗拉强度、抗剪强度的优越性发挥出来。锚杆锚固厚度小，锚固体扩容变形量相对较小，扩容应力也较小，利用全长锚固等强螺纹钢锚杆支护，可满足复合顶板底层锚固体的扩容变形和扩容应力，形成初期支护阶段的顶板挤压加固拱平衡状态。3.2 锚索的应用锚索形成稳定承载体，利用钢绞线锚索预应力对岩体挤压加固作用，使锚索与锚杆支护相互促进、相互补强。锚索有很好的延展性和抗拉强度，使锚
8、索形成的锚固岩体在巷道顶板中部形成一条强度大、结构稳定的承载体。锚索锚固点处在松动圈之外，增加了顶板承载体的稳定性。锚索布置在2 排锚杆之间，增加了支护的密度，锚索的高延展性、高强度，进一步提高了承载体的强度、塑性和抗弯曲破坏能力，提高了承载体的自稳能力。3.3 金属网的作用金属网能够托住挤入巷道的岩石，将锚杆之间非锚固岩层载荷传递给锚杆，有效地控制锚杆之间非锚固岩层的变形；金属网托住已碎裂的岩石，防止碎裂岩体的垮落，虽然巷道围岩已破裂，由于碎石的碎胀作用和传递力的媒体作用，使巷道深部岩石仍保持三向应力状态，大大提高了岩体的残余强度。4 目前解决复合顶板下回采巷道支护问题的方法和技术4.1 复
9、合顶板下回采巷道采用锚杆支护的技术回采巷道破碎顶板以往采用棚子支护，熟不知，由于棚子支护接顶性比较差又不能产生初撑力，使得顶板在承受支撑力之前就产生离层,断裂现象。巷道在初期尚能维护基本形态、但状态不理想。经过一定时间后, 巷道顶板逐渐出现离层、裂隙脱落现象。其主要原因是，棚子支护处于一种等待顶板下沉状态。当支架承载时，顶板离层已经达到一定程度，尤其是当工作面回采时，工作面前方支承压力影响范围内巷道支护载荷进一步加大而此时的支架也就是围岩支护已经遭到破坏，只凭棚子已经难以承受采动影响下高应力的作用。在实际生产中，压弯棚梁、压折棚腿、煤壁片帮顶板冒顶现象经常发生,特别是经过反复维护后巷道收缩到不
10、能满足正常回采的要求而造成工作面运输机与顺槽运输机不能正常搭接, 迫使工作面安全出口顺槽处采用强制放顶的方法扩大工作空间，造成不安全因素。巷道在掘进时放炮崩倒棚子现象也经常发生，最多一个班扶10多架棚子，使掘进工作面经常处于空顶状态，放炮震动反复的促进巷道顶板的离层、断裂，为巷道维护埋下了安全隐患。下面就以双阳煤矿三井的上层右零片所掘的巷道为例，说明复合顶板条件下的回采巷道锚杆支护技术。4.1.1 锚杆支护巷道机理双阳矿三井上层顶板为复合顶板，在层状岩层中开拓的巷道与均质的岩层中明显不同，岩层的层面有三种主要性质对开采是很重要的。第一，垂直于岩层层面的抗拉强度低,个别出现明显裂隙的地方甚至为零
11、。第二，是层面的抗剪强度比完整的岩层低。第三，是这类煤层中开掘巷道多不破顶，这三个特性决定了层状岩层对下煤层中开掘巷道产生的特殊力反应。对于层状煤层体中开掘巷道, 其支护原则是：第一，充分发挥围岩的自承能力，即完整性，尤其是顶板；第二，是采取措施提高围岩的强度。而满足这两个要求的理想支护就是锚杆支护，这时通过锚杆提供的锚固力和预紧力，各层岩层被组合形成组合梁，一起发生弯曲变形。层状岩层在产生弯曲变形后，很容易产生顺层滑动，这时借助于锚杆提供的抗剪力、抗拉力以及由于锚杆作用，而使层面摩擦力增加，使岩层间的滑动得以控制。4.1.2 回采巷道锚杆支护参数设计根据锚杆组合梁作用分析，假定层面是水平的，
12、且己知各层间的参数，根据巷道的跨度2.6米埋藏深度为200 米，来确定锚杆各项参数。4.1.3 地压计算Z=4/3ra2/f=4/32.51.32/5=1.126T/m式中：Z- - - 每米巷道顶板压力T/m4/3- - - 巷道压力拱系数r- - - 顶板岩石容重T/(m3)取2.5a- - - 巷道跨度一半mf- - - 岩石普氏系数取54.1.4 支护参数选择计算（1） 锚杆长度L=N(1.1+b/10)=1.2(1.1+2.6/10)=1.6m式中：L- - - 锚杆长度mN- - - 岩石稳定性系数取1.2b- - - 巷道跨度2.6m（2）锚杆直径d=L/110=1.6/110=
13、0.0146m 取直径15mm式中：d- - - 锚杆直径mmL- - - 锚杆长度m综合上式计算,结合复合顶板岩层的厚度,考虑锚固长度不能低于250mm, 锚杆布置与垂直方向有一定倾角, 故选用长度为1.6-1.8m,直径为16-18mm金属树脂锚杆为宜。4.1.5 锚杆数量和平均间距的确定根据巷道的跨度, 所须组合梁弯曲时锚杆的布置应使用所提供的抗剪力，必须保证组合梁不能抻裂，故锚杆布置为：三排锚杆，排距0.8米，间距为1.0 米。4.1.6 支护方案的实施根据上述锚杆支护的设计，巷道顶板采用1.6-1.8m 长，直径为16-18mm的树脂端头锚固式金属锚杆，锚杆采用三排布置。该巷道断面为
14、矩形，抓煤层走向，在煤层中掘进，不破顶，锚杆布置间距为1.0 米，排距为0.8 米，中间一排锚杆布置在巷道中心上。4.1.7 树脂锚杆的安装锚杆安装过程中应严格按树脂药卷说明书上规定的搅拌、等待时间等安装方法操作, 向孔中送树脂药卷时应轻轻将药卷送到孔中。当使用两种胶凝速度的树脂药卷时，应将胶凝速度快的放在前面，胶凝速度慢的放在后面。每个锚杆眼中不得应用两卷及以上双速药卷。应将树脂药卷缓慢匀速推倒眼底后, 再机械转动边旋转边匀速上推。上推到眼底的时间一般占总搅拌时间的70%；推到眼底后继续搅拌，其时间一般占总搅拌的30%。待树脂药卷搅拌一段时间且树脂锚固剂已具有锚固能力后方可紧固螺母。紧固螺母
15、时，应使螺母扭矩达到规定扭矩要求。如果巷道过断层或构造破碎带，可加金属网或者钢带，锚杆安装时应使锚杆穿过钢带控制孔和金属网，锚入顶板后应将钢带和金属网压紧，贴实顶板。4.1.8 技术要求（1）为了保证支护效果，要求锚杆垂直顶板打设，严禁串皮。（2）放炮后，要求对工作面前方10米范围内的锚杆二次拧紧，保证锚杆紧贴顶板。（3）锚杆要及时打设，严禁空顶作业。4.1.9 技术评价及效果锚杆将软弱多层的直接顶组合加固到一起，形成了一个较坚固可以承受上覆岩层的动压，及回采期间采动过程中产生动压影响的组合梁结构，和巷道的围岩体系共同的作用，达到了支护的目的。（1）在采掘期间锚杆支护完全经受住了静动压的影响，复合顶板巷道的支护改棚子支护为锚杆支护是合理的。（2）采用锚杆支护形式，有效的控制了顶板的稳定性和完整性，使岩层处在一种动态后的稳定状态，避免了局部冒顶事故的发生。（3）采用锚杆支护，省掉了放炮后扶棚子的工作量，减轻了工人的劳动强度，这种巷道支护的改变在技术上是可行的，安全上是可靠的。4.2 复合顶板条件下回采巷道采用锚网索联合支护的技术4.2.1 巷道锚网索支护参数设计采用煤巷锚杆支护监控设计法。该法是一个动态设计过程：利用计算机数值模拟现场情况，并设计初始支护参数，进行现场应用, 然后用现场反馈的情况再
