大斷面切巷破碎頂板聯(lián)合維護(hù)措施研究

王宏昌

（大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

1 概述

大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司8112工作面位于井田西翼，工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1289m，傾向長(zhǎng)度為150m，回采煤層為15#煤層，平均厚度為3.0m，煤層平均傾角為3°。煤層無(wú)偽頂，直接頂主要以灰黑色炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為2.4m，巖體巖石普氏系數(shù)f=2.0，巖石硬度低，在應(yīng)力作用下易破碎；基本頂主要以泥巖、煤、粉砂巖混合巖層為主，平均厚度為11.2m，其中頂板往上5.2～6.0m處含有一層煤層（不可采），平均厚度為0.6m。

8112 工作面切巷施工過(guò)程中在距回風(fēng)順槽57m處揭露一條正斷層F9，斷層落差為1.4m，傾角為52°，斷層從順槽側(cè)與工作面成72°夾角進(jìn)入。切巷在過(guò)斷層時(shí)頂板相對(duì)破碎，采用錨桿、錨索、木柱進(jìn)行維護(hù)。當(dāng)切巷施工完10d后斷層處頂板出現(xiàn)局部破碎、下沉現(xiàn)象，距回風(fēng)順槽27m處頂板出現(xiàn)局部冒落現(xiàn)象，高度達(dá)0.6m，頂板下沉量達(dá)0.66m。為了提高頂板穩(wěn)定性，加強(qiáng)F9斷層帶附近頂板支護(hù)效果，綜采二隊(duì)通過(guò)技術(shù)研究，分析了頂板破碎原因，并提出了相應(yīng)的維護(hù)措施。

2 8112切巷支護(hù)設(shè)計(jì)及頂板破碎原因分析

2.1 8112切巷原支護(hù)設(shè)計(jì)

8112 切巷設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=6.0×3.0m。由于巷道斷面大，頂板原設(shè)計(jì)采用單錨桿、錨索、支設(shè)木柱進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

（1）錨桿支護(hù)。頂板錨桿長(zhǎng)度為2.0m，直徑為20mm，錨桿間排距為1.0m，每根錨桿外露端配套一塊長(zhǎng)度為0.45m鋼帶與頂板預(yù)緊，預(yù)緊力為200N·m；每根錨桿配套一支型號(hào)為MSK23/60錨固劑，錨固力為98kN。

（2）頂板錨索支護(hù)。頂板錨索長(zhǎng)度為5.5m，錨索直徑為17.8mm，間距×排距=3.0×2.0m，第一排錨索施工在第一排與第二排鋼帶之間；每根錨索外露端采用規(guī)格為長(zhǎng)×寬=0.3×0.3m鋼方墊及鎖具進(jìn)行預(yù)緊，每根錨索采用兩支型號(hào)為MSK23/60錨固劑進(jìn)行錨固，錨索預(yù)緊力為120kN，錨固力為170kN。

（3）木柱支護(hù)。木柱長(zhǎng)度為3.0m，直徑為30mm，切巷內(nèi)共計(jì)支設(shè)三排木柱，木柱間排距為2.0m，木柱與頂板采用長(zhǎng)度為0.5m道木背緊。

2.2 切巷頂板破碎原因分析

（1）地質(zhì)構(gòu)造影響。8112切巷在施工時(shí)揭露一條F9逆斷層，該斷層破壞了頂板巖體整體穩(wěn)定性，而且在斷層帶處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，切巷在掘進(jìn)過(guò)程中破壞了巖體的原巖應(yīng)力平衡，使巖體應(yīng)力重新分配，造成斷層帶附近巖體應(yīng)力加大，并對(duì)開(kāi)挖空間釋放，導(dǎo)致頂板破碎。

（2）頂板巖體穩(wěn)定性差。8112切巷直接頂主要為炭質(zhì)泥巖，該巖體單軸抗壓強(qiáng)度為15～20MPa，巖體穩(wěn)定性差，承載能力低，在壓力作用下易破碎，使頂板巖體無(wú)法起到預(yù)期承載梁作用。

（3）支護(hù)不合理。8112切巷直接頂厚度為2.4m，頂板錨桿長(zhǎng)度為2.0m，錨桿錨固端位于直接頂內(nèi)，在應(yīng)力作用下直接頂與基本頂出現(xiàn)剝離破壞，導(dǎo)致離層現(xiàn)象，頂板錨桿懸吊作用差；同時(shí)頂板往上5.0m處存在一層煤層，而錨索長(zhǎng)度為5.5m，錨索錨固段位于煤層內(nèi)，錨固效果差，未起到預(yù)期支護(hù)效果。

3 8112切巷破碎區(qū)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

綜采二隊(duì)通過(guò)技術(shù)研究，根據(jù)切巷頂板破碎原因，對(duì)破碎頂板提出了“JW型錨索吊棚+恒阻錨索+桁架支護(hù)”等聯(lián)合支護(hù)措施。

3.1 “JW”型錨索吊棚

（1）“JW”型錨索吊棚主要由“JW”型鋼梁、錨索等部分組成，鋼梁規(guī)格為長(zhǎng)×寬=3.5×0.38m，每根鋼梁上焊制三個(gè)直徑為30mm圓孔，孔間距為1.5m。錨索長(zhǎng)度為8.0m，直徑為17.8mm。

（2）首先采用錨索鉆具在頂板施工支護(hù)鉆孔，鉆孔深度為8.0m，鉆孔間距為1.5m。鉆孔施工完后依次向鉆孔內(nèi)填裝兩支錨固劑及錨索，并采用鉆具對(duì)錨索進(jìn)行攪拌錨固，錨固后錨索外露長(zhǎng)度控制在0.3m左右。

（3）三根錨索施工完后，在錨索外露端起吊“JW”型鋼梁，并采用鎖具、拱形墊片進(jìn)行預(yù)緊?！癑W”型錨索吊棚與切巷垂直布置，相鄰兩架錨索吊棚邁步式布置，如圖1所示。吊棚排距為2.0m，共計(jì)施工10架錨索吊棚。

3.2 恒阻錨索支護(hù)

為了防止頂板離層、下沉現(xiàn)象，決定對(duì)頂板破碎區(qū)施工恒阻錨索進(jìn)行進(jìn)一步加固。

（1）8112切巷破碎頂板采用的每架恒阻錨索主要由一塊規(guī)格為長(zhǎng)×寬=0.6×0.4m鋼板及五根長(zhǎng)度為8.0m、直徑為21.6mm高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索組成。鋼板兩端各焊制兩個(gè)孔徑為30mm圓孔。

（2）恒阻錨索施工在相鄰兩架“JW”型錨索吊棚之間，每架恒阻錨索垂直切巷布置，每排施工三架，恒阻錨索間距為1.0m，排距為2.0m。

（3）在施工恒阻錨索前應(yīng)測(cè)量好錨索間距，錨索橫向水平間距為0.15m，縱向間距為0.2m。五根錨索施工完后將鋼板安裝在錨索下方并采用鎖具進(jìn)行預(yù)緊。

3.3 桁架支護(hù)

為了削弱斷層破碎帶集中垂直應(yīng)力對(duì)頂板破壞作用，保證頂板支護(hù)體錨固作用，決定對(duì)破碎帶頂板施工桁架支護(hù)。

（1）8112切巷施工桁架支護(hù)主要由兩根長(zhǎng)度為8.0m、直徑為21.6mm預(yù)應(yīng)力錨索，兩根長(zhǎng)度為2.0m、直徑為20mm圓鋼以及一個(gè)雙向張力器組成。桁架支護(hù)與切巷垂直布置，排距為1.0m。

（2）首先利用錨索鉆機(jī)在破碎頂板施工兩個(gè)鉆孔，鉆孔深度為8.0m，鉆孔直徑為30mm，鉆孔與頂板夾角為75°。鉆孔施工后采用鉆具將錨索錨固，錨索外露長(zhǎng)度為0.3m。

（3）錨索錨固后分別在錨索外露端安裝一根圓鋼，并采用鎖具將圓鋼與頂板固定，兩根圓鋼另一端采用雙向拉力器進(jìn)行張緊，張緊力不得低于200N·m。

圖1 8112切巷破碎頂板聯(lián)合支護(hù)平面示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）8112切巷破碎頂板處采用“JW”型錨索吊棚，實(shí)現(xiàn)了頂板線性支護(hù)，解決原頂板單錨桿、錨索等密集點(diǎn)性支護(hù)造成頂板巖體擾動(dòng)破壞、支護(hù)效果差等技術(shù)難題；而且該錨索吊棚支護(hù)斷面大，提高了對(duì)破碎頂板支護(hù)作用，與傳統(tǒng)工字鋼梁錨索吊棚相比，避免了錨索吊棚支護(hù)時(shí)對(duì)頂板的切頂破壞。

（2）采用恒阻錨索后，提高了破碎頂板承載能力，解決了傳統(tǒng)錨桿、錨索支護(hù)錨固效果差、導(dǎo)致頂板下沉量大等技術(shù)難題，保證了切巷不穩(wěn)定直接頂與基本頂膠結(jié)作用，防止了頂板破壞范圍向深部延伸。

（3）采用桁架支護(hù)后，減小了頂板集中垂直應(yīng)力對(duì)頂板巖體破壞作用及破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，提高了支護(hù)體支護(hù)作用，避免了因頂板應(yīng)力大，造成支護(hù)失效現(xiàn)象。

（4）8112切巷破碎頂板采取聯(lián)合支護(hù)措施后，通過(guò)30d觀察發(fā)現(xiàn)，在前10d頂板塑性變形相對(duì)較大，頂板最大下沉量為0.23m，在后20d內(nèi)頂板下沉量逐漸降低，且趨于零，頂板支護(hù)失效現(xiàn)象得到有效控制，由原來(lái)的失效率為33%降低為2.7%，保證了破碎頂板穩(wěn)定性。