軟巖煤層應(yīng)力區(qū)巷道圍巖控制措施

郭鑫煜

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)盛泰煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 概述

盛泰煤礦東翼膠帶大巷位于井田二采區(qū)東部，巷道開(kāi)口位于西翼膠帶大巷與集中膠帶大巷相交處東幫。工作面北部32m為東翼軌道大巷，工作面南部25m為東翼回風(fēng)大巷，西部為集中膠帶大巷。

東翼膠帶大巷掘進(jìn)煤層為15#煤，煤層平均厚度為1.23m，平均傾角為4°。15#煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，性脆易碎，局部夾1～2層0.1～0.3m炭質(zhì)泥巖夾矸，煤巖體普氏系數(shù)f=1.8。15#煤層直接頂主要以泥巖與砂巖互層為主，平均厚度為3.5m，直接頂穩(wěn)定性差，易破碎；基本頂主要以K2灰?guī)r為主，平均厚度為11.2m。根據(jù)東翼膠帶大巷水文地質(zhì)資料顯示，東翼膠帶大巷在掘進(jìn)過(guò)程中共計(jì)揭露4條斷層（F2、F3、F4、F5），分別位于110m、395m、580m和1102m處。其中F2、F5為逆斷層，斷層平均落差為0.7m，平均傾角為37°，斷層對(duì)巷道掘進(jìn)影響?。籉3、F4為正斷層，F(xiàn)3斷層落差為1.3m，平均傾角為52°，F(xiàn)4斷層落差為1.5m，平均傾角為57°，兩條正斷層對(duì)巷道影響較大。

東翼膠帶大巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1353m，設(shè)計(jì)矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=5.0×3.5m，巷道沿15#層頂板掘進(jìn)，施工巷道為半煤巖巷，巖體厚度為2.3m。東翼膠帶大巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝，已掘進(jìn)565m。巷道掘進(jìn)期間頂板、巷幫主要采用傳統(tǒng)錨桿、錨索、鋼帶進(jìn)行支護(hù)。巷道在過(guò)F2斷層期間頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，未出現(xiàn)頂板下沉、冒落現(xiàn)象，原支護(hù)設(shè)計(jì)可滿足頂板支護(hù)要求。當(dāng)巷道掘進(jìn)至380m處時(shí)受F3斷層應(yīng)力影響，巷道頂板破碎，巷幫變形嚴(yán)重，原支護(hù)設(shè)計(jì)維護(hù)頂板及巷幫困難。巷道在揭露F3斷層期間頂板最大下沉量達(dá)0.48m，巷幫移近量達(dá)0.52m，底鼓量達(dá)0.33m。

2 巷道圍巖變形原因分析

（1）地質(zhì)構(gòu)造影響。受斷層影響，斷層上下盤(pán)巖體出現(xiàn)空間上位移，破壞了煤巖體整體穩(wěn)定性，斷層附近煤巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，形成應(yīng)力卸壓空間。巷道在掘進(jìn)過(guò)程中受圍巖應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力集中作用，使得斷層附近巖體產(chǎn)生卸壓張拉破壞，導(dǎo)致裂隙巖體破壞嚴(yán)重。

（2）圍巖承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。東翼膠帶大巷寬度為5.0m，巷道寬度大，巷道掘進(jìn)后頂板形成的承載梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，在應(yīng)力作用下承載梁中部出現(xiàn)下沉、斷裂現(xiàn)象。同時(shí)承載梁兩端對(duì)兩側(cè)煤柱產(chǎn)生拉剪破壞，造成兩幫與頂板之間肩角煤柱垮落嚴(yán)重，導(dǎo)致兩幫煤柱支撐強(qiáng)度降低，巷幫出現(xiàn)片幫、收縮現(xiàn)象，底板出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象。

（3）圍巖穩(wěn)定性差。東翼膠帶大巷沿15#煤層頂板掘進(jìn)，直接頂以混合巖層為主，巖體單軸抗壓強(qiáng)度不足27MPa，巖體穩(wěn)定性差，在集中應(yīng)力破壞作用下巷道頂板破壞嚴(yán)重。同時(shí)，施工巷道以半煤巖巷掘進(jìn)，巷幫上部為煤體，下部為巖體，煤巖交接處結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在應(yīng)力作用下出現(xiàn)擠壓破壞，巷幫破壞嚴(yán)重。

（4）原支護(hù)質(zhì)量差。東翼膠帶大巷在掘進(jìn)前期圍巖主要采用錨桿、錨索支護(hù)，錨索（桿）網(wǎng)支護(hù)時(shí)支護(hù)體屈服強(qiáng)度有限，在大應(yīng)力破壞作用下錨桿、錨索出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象，導(dǎo)致支護(hù)失效嚴(yán)重，降低了松動(dòng)圍巖支護(hù)效果。

3 巷道圍巖聯(lián)合控制措施

為了保證東翼膠帶大巷過(guò)F4斷層期間圍巖穩(wěn)定性，提高巷道過(guò)斷層掘進(jìn)速度，保證巷道施工安全，巷道掘進(jìn)至565m處時(shí)決定對(duì)巷道圍巖采取聯(lián)合控制措施。

3.1 頂板下沉控制措施

為了加強(qiáng)頂板承載梁承載強(qiáng)度，削弱集中應(yīng)力對(duì)頂板破壞作用，提高應(yīng)力區(qū)巷道頂板穩(wěn)定性，防止頂板破碎現(xiàn)象，決定對(duì)頂板采取“L型鋼帶+桁架錨索+矩形鋼棚”聯(lián)合支護(hù)措施。

3.1.1 L型鋼帶支護(hù)

（1）對(duì)應(yīng)力區(qū)巷道頂板及幫部施工“L”型鋼帶主要目的是加強(qiáng)巷道肩角煤柱支護(hù)，降低剪切應(yīng)力區(qū)肩角煤柱破壞作用，從而提高巷道成型率，保證兩幫煤柱具有足夠的支撐作用強(qiáng)度。

（2）東翼膠帶大巷頂板安裝L型鋼帶長(zhǎng)邊長(zhǎng)度為1.0m，短邊長(zhǎng)度為0.5m，鋼帶寬度為0.3m，長(zhǎng)邊與短邊構(gòu)成“L”型，在鋼帶兩邊以及拐角處焊制三個(gè)孔徑為25mm圓孔。

（3）“L”型鋼帶長(zhǎng)邊布置在頂板上，短邊布置在巷幫上，鋼帶布置間距為1.0m。在鋼帶兩邊上分別施工一根長(zhǎng)度為2.0m、直徑為22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿將其與頂板及幫部固定，在拐角處施工一根長(zhǎng)度為5.0m、直徑為21.6mm肩角錨索，錨索與巷幫及頂板夾角為45°。如圖1所示。

3.1.2 桁架錨索支護(hù)

（1）為了實(shí)現(xiàn)桁架錨索支護(hù)既能夠削弱集中應(yīng)力，又能大斷面支護(hù)頂板的目的，采用桁架錨索支護(hù)主要由兩根長(zhǎng)度為4.0m、直徑為21.6mm恒阻錨索、兩根長(zhǎng)度為1.4m、寬度為0.15m槽鋼以及一個(gè)高強(qiáng)度張拉彈簧等部分組成，槽鋼兩端各焊制一個(gè)直徑為30mm圓孔。

（2）首先在相鄰兩根鋼帶之間施工兩個(gè)錨索鉆孔，鉆孔間距為3.0m，鉆孔與頂板夾角為60°。鉆孔施工完后對(duì)鉆孔內(nèi)錨注兩根恒阻錨索，錨索外露長(zhǎng)度控制在0.2～0.3m范圍內(nèi)。

（3）錨索安裝后在錨索外露端安裝兩根槽鋼，槽鋼平面與頂板接觸，并采用鎖具進(jìn)行預(yù)緊。在兩根槽鋼另一端采用高強(qiáng)度張拉彈簧進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊后保證兩根槽鋼具有足夠的水平張力。桁架錨索支護(hù)排距為2.0m。

3.1.3 矩形鋼棚支護(hù)

（1）鋼棚架設(shè)間距為1.5m，鋼棚棚腿及頂梁主要由11#工字鋼梁制成，頂梁與棚腿之間采用U型卡固定，鋼棚架設(shè)高度為3.4m，相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用四組圓鋼拉桿進(jìn)行相互固定。

（2）巷道應(yīng)力區(qū)共需架設(shè)20架鋼棚，所有鋼棚架設(shè)完成后，在鋼棚頂梁上密集鋪設(shè)長(zhǎng)度為4.0m槽鋼，鋪設(shè)完成后保證槽鋼與頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

圖1 應(yīng)力區(qū)巷道聯(lián)合支護(hù)斷面示意圖

3.2 巷幫圍巖變形控制措施

為了解決傳統(tǒng)巷幫單錨桿點(diǎn)性支護(hù)斷面小、聯(lián)鎖支護(hù)作用低等技術(shù)不足，決定對(duì)F4斷層應(yīng)力區(qū)巷道兩幫采取施工邁步式JW型鋼帶進(jìn)行維護(hù)。

（1）為了滿足單茬巷道掘進(jìn)巷幫支護(hù)要求，“JW”型鋼帶長(zhǎng)度為1.5m，鋼帶寬度為0.35m，鋼帶上焊制兩個(gè)直徑為25mm圓孔，孔間距為1.0m。巷幫錨桿采用長(zhǎng)度為2.0m、直徑為22mm讓壓螺旋錨桿，最大讓壓距離為0.3m。

（2）“JW”型鋼帶沿巷道走向布置，第一排鋼帶施工在距頂板0.8m處，同一排相鄰兩根鋼帶間距為1.0m，相鄰兩排鋼帶排距為1.0m，且第二排鋼帶與一排鋼帶邁步式布置，如圖2所示，依次類推，第三排與第二排邁步式布置。

圖2 應(yīng)力區(qū)巷道幫部邁步式“JW”型鋼帶平面布置圖

4 應(yīng)用效果

截至2019年3月東翼膠帶大巷已掘進(jìn)到位。過(guò)F4斷層期間對(duì)巷道圍巖采取聯(lián)合控制措施后，施工巷道頂板破碎得到有效控制，頂板最大下沉量控制在0.14m以下，兩幫未出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，兩幫移近量不足0.32m，在巷道允許耦合變形范圍內(nèi)。同時(shí)肩角煤柱維護(hù)效果好，保證了巷道成型率，未出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)速率提高至9.2m/d。