厚煤層巷道破碎頂板支護優(yōu)化應用

范慧盛

（山煤國際能源股份有限公司煤業(yè)分公司，山西 太原 030000）

1 概述

山煤左云長春興煤業(yè)公司601 運輸順槽東部為南延盤區(qū)大巷二段，南部為五家溝煤礦5214 工作面采空區(qū)（礦界煤柱46～73 m），西部為礦井西部礦界，北部為設計南盤區(qū)西南部未開采區(qū)域。601運輸順槽設計長度為2100 m，巷道設計斷面規(guī)格為寬×高=5.2 m×4.0 m，巷道掘進煤層為22#層，結構復雜，厚度穩(wěn)定。工作面煤層平均厚度為9.5 m，含3～4 層夾矸，傾角較小，平均-2°，見表1。根據工作面鉆孔Z906 得知，22#層上距最近16-2#煤層約99.15 m，下距最近25-1#煤層約12.7 m。

表1 22#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

通過對巷道掘進區(qū)域進行三維地震勘探發(fā)現(xiàn)，巷道在掘進過程中共計揭露11 條正斷層。其中位于巷道1420 m 處揭露的WF19 斷層落差為3.0 m，傾角為50°，對巷道掘進影響較大，其他斷層平均落差不足1.0 m，對巷道掘進影響較小。截至目前巷道已掘進至1407 m。受WF19 斷層影響，巷道掘進至1400 m 處巷道頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。隨著巷道延伸巷道受構造應力影響逐漸加大，頂板出現(xiàn)局部錨桿（索）失效及巷道肩角煤柱局部垮落，頂板下沉量達0.48 m，兩幫移近量達0.63 m，不僅降低了巷道成型率，而且制約著巷道安全高效回采[1-5]。

2 巷道頂板破碎機理

2.1 頂煤穩(wěn)定性差

601 運輸順槽掘進的22#煤層厚度為9.5 m，巷道掘進高度為4.0 m，巷道沿22#煤層底板掘進，留頂煤厚度為5.5 m。22#煤層結構復雜，煤層發(fā)育成分層狀結構，煤層內含多層夾矸，導致煤層整體穩(wěn)定性降低，巷道掘進期間圍巖在上覆巖層重力的作用下造成頂煤產生剝離破壞，致使頂煤破碎、下沉。

2.2 構造應力影響

WF19 正斷層落差為3.0 m，破壞了22#煤層整體穩(wěn)定性，導致斷層兩盤煤體產生縱向裂隙破壞帶，隨著巷道掘進逐漸接近斷層，斷層處應力沿裂隙帶向巷道開挖方向釋放，應力在釋放過程中對裂隙帶產生擴張破壞作用，導致煤體裂隙向巷道迎頭方向延伸，從而導致巷道頂板破碎、煤壁片幫現(xiàn)象。

2.3 支護強度低

601 運輸順槽原頂板主要采用錨桿（索）+金屬網聯(lián)合支護。頂板每排布置5 根長度為2.0 m 螺紋鋼錨桿，錨桿間距為1.1 m，排距為1.0 m ，錨桿外露端安裝一根長度為4.8 m、寬度為0.25 m“W”型鋼帶；頂板每排布置三根錨索，錨索長度為5.3 m，直徑為17.8 mm，錨索間距為1.8 m，排距為3.0 m；頂板金屬網采用直徑為8#鉛絲編制而成。但是通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，原支護強度相對較低，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）601 運輸順槽頂煤厚度為5.5 m，頂煤在應力作用下已出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，破碎深度達2.5 m，而原頂板錨桿長度為2.0 m，錨桿錨固段位于破碎頂板圍巖松動圈內，導致錨桿錨固質量差，失效現(xiàn)象嚴重。

（2）原巷道中頂板錨索長度為5.3 m，直徑為17.8 mm，錨索錨固段位于頂煤與偽頂之間，在應力作用下偽頂極易出現(xiàn)離層現(xiàn)象，導致錨索錨固失效。同時原頂板錨索抗拉強度相對較低，在較強應力作用下很容易出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

（3）原頂板中采用菱形金屬網進行護頂，該金屬網在頂板破碎時可有效進行護頂作用。但是菱形金屬網抗壓強度低，易變形，在頂板大面積破碎且伴隨局部離層時，金屬網變形后很容易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。同時金屬網遇腐蝕性液體后很容易產生銹蝕作用，長期在應力以及銹蝕破壞作用下降低了金屬網護頂強度。

3 巷道破碎區(qū)頂板支護優(yōu)化

3.1 頂板永久支護優(yōu)化

（1）頂板錨桿支護優(yōu)化。601 運輸順槽應力區(qū)破碎頂板采用加長錨桿支護，加長錨桿長3.5 m，直徑22 mm，每排布置6 根錨桿，錨桿間排距為1.0 m，錨桿外露端安裝一根長度為5.0 m“JW”型鋼帶。

（2）頂板錨索支護優(yōu)化。頂板錨索更換為長度8.3 m、直徑21.8 mm 恒阻高預應力錨索，錨索采用“三.二.三”布置方式，錨索間距為1.8 m，排距為3.0 m，如圖1。

圖1 601 運輸順槽頂板永久支護優(yōu)化后平面布置示意圖

（3）頂板金屬網優(yōu)化。為了提高金屬網護頂強度，將原頂板金屬網更換為JDPET 型聚酯纖維柔性網，每卷纖維網長度為10 m，寬度為7.0 m，安裝工藝如下：① 當頂板第一排錨桿錨固后將纖維網平鋪在錨桿下方，然后將JW 型鋼帶安裝在纖維網下方并進行預緊；② 巷道兩幫外露的纖維網長度為0.6 m，用巷幫第一排錨桿對其進行固定。

3.2 施工錨索架棚支護

為了進一步提高斷層破碎帶附近巷道圍巖穩(wěn)定性，決定在斷層前后10 m 范圍內施工JW 型錨索棚支護。

3.2.1 JW 型錨索棚結構組成

JW 型錨索棚主要由棚腿、JW 型頂梁、V 型支撐梁、底座以及固定錨索等部分組成，如圖2。

圖2 601 運輸順槽JW 型錨索棚支護斷面示意圖

（1）棚腿長度由兩節(jié)組成，每節(jié)長度為2.1 m，棚腿主要為U29 型鋼梁，兩節(jié)棚腿主要采用卡纜及抱箍進行固定連接；棚腿底端與底座進行固定連接，頂端焊制一個凹型托盤。

（2）JW 型頂梁長度為5.0 m，寬度為0.35 m，頂梁主要由厚度為5 mm鋼板通過磨具一次性成型，頂梁上均勻焊制5 個錨索支護孔，孔間距為1.0 m，孔直徑為30 mm。

（3）V 型支撐梁主要由兩根長度為1.5 m、邊寬為0.1 m 角鋼焊制而成，V 型角為60°，支撐梁兩端采用螺母與U29 型棚腿固定，頂端采用錨索與JW 型頂梁進行固定。每架鋼棚安裝5 根固定錨索，每根錨索長度為5.5 m，直徑為21.8 mm。

3.2.2 JW 型錨索棚支護工藝

（1）巷道掘進至1410 m 處時，在巷道內架設JW 型錨索棚，首先在巷道兩幫處底板安裝棚腿底座，底座安裝前必須保證底板平整，且采用地錨將底座與底板進行固定。

（2）底座固定后，將第一節(jié)棚腿與底座采用螺母進行固定，第一節(jié)棚腿固定后，將第二節(jié)棚腿對插在四一節(jié)棚腿端頭處并采用卡纜進行固定，兩節(jié)棚腿對接長度不得低于0.2 m。為了提高棚腿牢固性，棚腿安裝后采用錨桿將其與巷幫進行固定。

（3）棚腿與JW 型頂梁同樣采用卡纜進行固定，在安裝JW 型頂梁時首先在巷道中部施工一根固定錨索，錨索外露長度控制在0.3～0.5 m 范圍內，然后在錨索外露端依次安裝JW 頂梁以及V 型支撐梁，并采用鎖具進行固定。

（4）頂梁固定后依次施工其他固定錨索，并進行預緊，保證錨索預緊力不得低于220 kN，固定錨索施工完后采用螺母將V 型支撐梁分別與兩側棚腿進行固定。

3.3 應用效果

（1）采用優(yōu)化支護后，601 運輸順槽已掘進到位，巷道在過斷層影響帶破碎區(qū)時頂板未出現(xiàn)破碎、冒落現(xiàn)象，煤壁片幫現(xiàn)象得到有效控制，破碎區(qū)頂板永久支護失效率降低至3%以下，大大提高了巷道頂板支護穩(wěn)定性。

（2）巷道掘進后期通過30 d 對1400～1440 m段頂板及兩幫變形情況進行觀察發(fā)現(xiàn)：破碎頂板支護優(yōu)化后0～14 d 范圍內，頂板及兩幫煤巖體蠕動變形量相對較大，頂板下沉量為0.19 m，兩幫收縮量為0.26 m；在14～25 d 范圍內巷道圍巖在支護作用下達到應力平衡狀態(tài)，頂板及兩幫變形量逐漸減?。辉?5 d 后頂板、巷幫圍巖趨于穩(wěn)定。

4 結語

巷道在掘進過程中圍巖出現(xiàn)破碎變形后，必須及時分析圍巖變形機理及原支護失效的原因，并根據實際情況對支護進行合理優(yōu)化。601 運輸順槽變形圍巖支護進行合理優(yōu)化后，巷道在后期掘進過程中圍巖未出現(xiàn)大面積變形、破碎現(xiàn)象，提高了破碎圍巖支護質量，保證了巷道安全快速過破碎區(qū)。