大斷面煤巷斷層破碎區(qū)支護(hù)措施研究

田文軍

（大同煤礦集團(tuán)朔州煤電小峪煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038301）

由于煤層的單軸抗壓強(qiáng)度、膠結(jié)穩(wěn)定性以及承載能力低于巖體，在全煤巷道掘進(jìn)時(shí)一旦受集中應(yīng)力等作用，很容易導(dǎo)致巷道圍巖穩(wěn)定性降低，若不及時(shí)采取合理有效的支護(hù)措施，易造成頂板下沉、煤壁片幫、底板鼓起等現(xiàn)象，甚至?xí)l(fā)生安全事故，不僅制約巷道掘進(jìn)效率，而且威脅巷道施工安全。本文以小峪煤礦2202巷為例，對(duì)巷道掘進(jìn)期間過(guò)破碎區(qū)的合理有效支護(hù)措施進(jìn)行研究，取得了顯著成效。

1 工作面概況

大同煤礦集團(tuán)朔州煤電小峪煤業(yè)有限公司2202巷位于井田402盤(pán)區(qū)北部，施工巷道北部為實(shí)煤區(qū)，南部為8204采空區(qū)，西部為402盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷，東部為礦界。

2202巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1512m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.3×3.5m，屬大斷面巷道。巷道掘進(jìn)煤層為二疊紀(jì)下統(tǒng)山西組5#煤層，平均厚度為10.75m，施工巷道沿煤層底板布置。5#煤層直接頂主要為炭質(zhì)泥巖，平均厚度為2.7m，基本頂主要為細(xì)砂巖，平均厚度為11.9m。

2202巷采用機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝，截至目前巷道已掘進(jìn)400m。巷道初步支護(hù)設(shè)計(jì)中，頂板采用錨桿、錨索、M型鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。頂板每排布置一根長(zhǎng)度為5.0m、寬度為0.15m鋼帶以及6根長(zhǎng)度為2.5m左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距為1.0m，鋼帶排距為1.0m。頂板錨索采用長(zhǎng)度為5.0m、直徑為17.8mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置3根，間距×排距=2.0×3.0m。

地測(cè)科提供工作面地質(zhì)資料顯示，2202巷掘進(jìn)至420m處時(shí)，揭露F11正斷層，斷層落差為1.2m，傾角為52°。受構(gòu)造應(yīng)力影響，巷道掘進(jìn)至395m處頂板開(kāi)始出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，當(dāng)巷道掘進(jìn)至400m處時(shí)頂板出現(xiàn)大面積破碎、局部冒頂現(xiàn)象，巷道永久支護(hù)失效嚴(yán)重。

2 2202巷破碎區(qū)聯(lián)合支護(hù)措施研究

為了提高2202巷過(guò)破碎區(qū)圍巖穩(wěn)定性，保證施工巷道安全快速過(guò)破碎區(qū)，小峪礦通過(guò)技術(shù)研究，決定在2202巷400～450m段頂板采取“管棚超前支護(hù)+JW型鋼棚+恒阻錨索桁架支護(hù)”聯(lián)合支護(hù)措施。

2.1 管棚超前支護(hù)

由于2202巷掘進(jìn)后頂板空頂長(zhǎng)度達(dá)1.2m，在永久支護(hù)前受頂板集中應(yīng)力影響，空頂處頂板極易冒落，不利于施工安全及永久支護(hù)施工，決定掘進(jìn)前對(duì)頂板施工一排管棚支護(hù)進(jìn)行超前維護(hù)。

（1）巷道上一循環(huán)掘進(jìn)完成后，及時(shí)將頂板永久支護(hù)施工到位，然后采用手持式鉆機(jī)在工作面設(shè)計(jì)頂板位置施工一排超前支護(hù)鉆孔，共計(jì)10個(gè)，間距為0.5m，直徑為40mm，深度為3.0m，鉆孔垂直方向允許角度偏差為±3°。

（2）支護(hù)鉆孔施工完后，依次向鉆孔內(nèi)填裝兩支長(zhǎng)度為0.6m快速型錨固劑以及一根長(zhǎng)度為3.5m、直徑為35mm的鋼管，鋼管距底部1.0m范圍內(nèi)兩側(cè)分別焊制5個(gè)圓孔，然后采用鉆機(jī)進(jìn)行錨固。

（3）在鋼管外露端每三根安裝兩塊夾板進(jìn)行固定。第一組鋼棚超前支護(hù)施工完后巷道繼續(xù)掘進(jìn)，當(dāng)巷道掘進(jìn)2.0m后施工第二組管棚支護(hù)。相鄰兩組管棚支護(hù)疊加交錯(cuò)式布置，疊加距離為1.0m，如圖1所示。

2.2 架設(shè)JW型鋼棚

為了解決M型鋼帶承載能力低、支護(hù)效果差等難題，提高支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度，決定在永久支護(hù)施工完后架設(shè)“JW”型鋼棚。

（1）“JW”型鋼棚主要由頂梁、棚腿、卡纜等部分組成。頂梁由一根長(zhǎng)度為5.0m、寬度為0.38m、厚度為0.08mm的“JW”型鋼制成，每根頂梁上焊制三個(gè)直徑為30mm圓孔，孔間距為2.0m。棚腿主要為兩根11#工字鋼梁，長(zhǎng)度為3.5m。

（2）“JW”型鋼棚架設(shè)在相鄰兩根鋼帶之間，鋼棚間距為2.0m。首先在頂板施工兩根長(zhǎng)度為5.0m錨索，間距為2.0m，錨索外露長(zhǎng)度為0.3m。錨索施工完后，將鋼棚“JW”型頂梁安裝在三根錨索外露端，并采用鋼方墊及鎖具將其與頂板預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于170kN。

（3）鋼棚頂梁安裝后，在頂梁兩端安裝棚腿，棚腿底座必須固定在堅(jiān)硬底板上，棚腿與頂梁之間采用卡纜固定，卡纜螺母預(yù)緊力必需低于200N·m。棚腿架設(shè)后必須保證與頂梁垂直，嚴(yán)禁出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。

2.3 恒阻錨索桁架支護(hù)

為了降低構(gòu)造應(yīng)力對(duì)頂板垂直破壞作用，決定對(duì)頂板施工恒阻錨索桁架支護(hù)。

（1）每架恒阻錨索桁架支護(hù)主要由兩根長(zhǎng)度為8.0m、直徑為21.6mm高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索，兩根長(zhǎng)度為1.6m、直徑為20mm圓鋼，連接器以及鎖具等部分組成。

（2）首先在應(yīng)力區(qū)頂板距巷幫1.0m處各施工一個(gè)錨索鉆孔，鉆孔深度為8.0m，孔徑為30mm，鉆孔與頂板夾角為60°。鉆孔施工完后對(duì)鉆孔分別填裝錨固劑及恒阻錨索，并進(jìn)行預(yù)緊，錨索外露長(zhǎng)度控制在0.3m。

（3）錨索安裝后，在錨索外露端分別安裝圓鋼及鎖具，并進(jìn)行預(yù)緊，然后將兩根圓鋼端頭安裝雙孔連接器，并進(jìn)行對(duì)拉預(yù)緊。預(yù)緊力主要取決于頂板破碎情況，一般連接器對(duì)拉預(yù)緊力控制120～200kN范圍內(nèi)。

（4）恒阻錨索桁架支護(hù)間距為2.0m，且施工在相鄰兩排鋼帶之間。桁架支護(hù)施工完后必須保證鋼管與頂板接觸嚴(yán)實(shí)，不接頂處采用木楔背緊。

圖1 2202巷應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)斷面示意圖

3 效果

（1）施工管棚超前支護(hù)后，解決了巷道掘進(jìn)后因頂板應(yīng)力作用導(dǎo)致巷道頂板垮落、煤壁片幫、支護(hù)難度大等難題，保證了破碎區(qū)頂板平整性，提高了頂板永久支護(hù)效果。

（2）與工字鋼棚相比，“JW”型鋼棚支護(hù)斷面是工字鋼棚的3倍，支護(hù)強(qiáng)度高，支護(hù)效果好，避免了在應(yīng)力作用下鋼棚頂梁與頂板出現(xiàn)切頂破壞；而且“W”型鋼棚提高頂板穩(wěn)定性及承載能力，解決了M型鋼帶承載能力差，出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象。

（3）由于構(gòu)造應(yīng)力垂直向下，對(duì)頂板剪切破壞嚴(yán)重，通過(guò)施工恒阻錨索桁架支護(hù)后，可降低頂板應(yīng)力垂直破壞作用，有效防止了頂板永久支護(hù)失效現(xiàn)象，提高了支護(hù)體支護(hù)作用。

（4）2202巷頂板破碎區(qū)采取聯(lián)合支護(hù)措施后，在后期3個(gè)月觀察發(fā)現(xiàn)，前兩個(gè)月受頂板塑性變化影響，頂板最大下沉量為0.12m，在第三個(gè)月后頂板區(qū)域穩(wěn)定，下沉量為0m。