破碎頂板巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

冀永林

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四明山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048405）

巷道在掘進(jìn)前巖體內(nèi)應(yīng)力處于多向平衡狀態(tài)。巷道掘進(jìn)后在開(kāi)挖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等作用下，破壞了巖體原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)[1]，圍巖處于二向或單向應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象[2]。其主要表現(xiàn)為巷道頂板下沉、破碎，底板鼓起以及兩幫收縮等。這些礦壓現(xiàn)象不僅降低了巷道成型率及巷道掘進(jìn)效率，且很容易造成頂板冒漏、巷幫垮落等安全事故。目前巷道支護(hù)普遍采用單一的錨桿（索）支護(hù)，而應(yīng)力區(qū)破碎圍巖由于巖體穩(wěn)定性差[3]，巖體在應(yīng)力作用下形成較大的圍巖松動(dòng)圈[4]，錨桿（索）在松動(dòng)圈內(nèi)進(jìn)行錨固支護(hù)時(shí)，錨固質(zhì)量差，無(wú)法及時(shí)將預(yù)應(yīng)力通過(guò)桿體傳遞至穩(wěn)定圍巖中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力區(qū)圍巖進(jìn)行懸吊、組合拱（梁）支護(hù)作用[5]，大大降低了錨桿（索）支護(hù)效果。所以，對(duì)于應(yīng)力區(qū)圍巖，采取合理有效的支護(hù)措施，對(duì)提高圍巖穩(wěn)定性、控制圍巖變形具有重要意義。本文以四明山煤礦9102 運(yùn)輸順槽為研究對(duì)象，針對(duì)巷道掘進(jìn)期間出現(xiàn)的圍巖破碎區(qū)采取了相應(yīng)的支護(hù)措施。

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四明山煤業(yè)有限公司9102運(yùn)輸順槽位于一采區(qū)南翼，東部為9101 工作面采空區(qū)，南部為井田邊界保安煤柱，西部為9102 工作面，北部為一采區(qū)三條大巷。

9102 運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 153 m，巷道為矩形斷面，寬度為4.2 m，高度為3.2 m，巷道掘進(jìn)煤層為9#煤層，煤層位于太原組中下部，煤層平均厚1.59 m，賦存區(qū)穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為3.12 m，基本頂為石灰?guī)r與細(xì)粒砂巖混合層，厚度為8.7 m，巖體為灰黑色，穩(wěn)定頂板，如表1所示。

表1 9#煤層頂?shù)装鍘r性匯總

9102 運(yùn)輸順槽原設(shè)計(jì)采用錨桿（索）、鋼帶聯(lián)合支護(hù)，頂板每排布置5 根反麻花式錨桿，錨桿桿體長(zhǎng)度為2.0 m，直徑為18 mm，錨桿間排距為1.0 m，錨桿外露端采用一根長(zhǎng)度為4.2 m，寬度為0.15 mm 型鋼帶以及螺母進(jìn)行聯(lián)合預(yù)緊；頂板每排布置2 根長(zhǎng)度為5.3 m，直徑為17.8 mm 錨索，錨索間距為1.8 m，排距為3.0 m。

2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

2.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

9102 運(yùn)輸順槽采用EBZ200 型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，截至2020年9月17日巷道已掘進(jìn)462 m。巷道掘進(jìn)至455 m 處時(shí)揭露一條F7斷層，如圖1所示。該斷層為逆斷層，斷層與巷道以78°斜交，斷層基本參數(shù)為：H=1.7 m、∠42°； 斷層侵入后破壞了巖體穩(wěn)定性，并在斷層附近形成構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)至450 m 時(shí)巷道頂板出現(xiàn)破碎、下沉現(xiàn)象，實(shí)測(cè)最大下沉量為0.45 m；當(dāng)巷道掘進(jìn)至460 m 時(shí)，頂板中部出現(xiàn)冒漏，冒漏高度為1.4 m，原支護(hù)方式在冒漏區(qū)范圍內(nèi)支護(hù)效果差，無(wú)法有效控制冒漏區(qū)附近圍巖。

圖1 9102 運(yùn)輸順槽F7 斷層布置平面

2.2 巷道頂板破碎成因分析

（1）圍巖穩(wěn)定性：9102 運(yùn)輸順槽直接頂為砂巖與泥巖混合層，巖體致密性差，巖體巖石普氏系數(shù)f=1.5，巖體抗壓強(qiáng)度低。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖體采集發(fā)現(xiàn)，直接頂巖體成層狀結(jié)構(gòu)，巖體在應(yīng)力作用下出現(xiàn)局部離層現(xiàn)象，巷道頂板一旦出現(xiàn)離層時(shí)，離層處巖體出現(xiàn)應(yīng)力剪切破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致巖體整體穩(wěn)定性降低，破壞了巖體力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

（2）構(gòu)造應(yīng)力影響：F7斷層構(gòu)造應(yīng)力在斷層處進(jìn)行釋放，應(yīng)力釋放過(guò)程中對(duì)兩盤(pán)巖體產(chǎn)生水平拉應(yīng)力破壞作用，導(dǎo)致兩盤(pán)巖體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。

（3）原支護(hù)強(qiáng)度低：9102 運(yùn)輸順槽過(guò)斷層期間，頂板受應(yīng)力破壞嚴(yán)重，并形成圍巖松動(dòng)圈，通過(guò)鉆探窺視發(fā)現(xiàn)圍巖松動(dòng)圈直徑達(dá)2.2 m，原頂板錨桿長(zhǎng)度為1.8 m，錨桿錨固端位于松動(dòng)圈內(nèi)，錨桿錨固效果差，桿體預(yù)應(yīng)力無(wú)法及時(shí)傳遞至穩(wěn)定巖體中，降低了錨桿懸吊支護(hù)作用；同時(shí)頂板采用M 型鋼帶，鋼帶強(qiáng)度低且支護(hù)截面積小，當(dāng)頂板出現(xiàn)下沉、破碎時(shí)M 型鋼帶承載能力小，易出現(xiàn)變形、斷裂現(xiàn)象。

3 巷道支護(hù)方式優(yōu)化

3.1 錨桿（索）參數(shù)優(yōu)化

（1）頂板錨桿支護(hù)優(yōu)化：為了提高錨桿錨固效果，將原反麻花式錨桿更換為無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，該錨桿桿體長(zhǎng)度為2.5 m，直徑為22 mm，錨桿布置間排距不變，螺紋鋼錨桿最大屈服強(qiáng)度為450 MPa。

（2）頂板鋼帶優(yōu)化：將M 型鋼帶更換為W 型鋼帶，W 型鋼帶橫截面成W 型，抗壓效果好，鋼帶規(guī)格為長(zhǎng)×寬=4.2 m×0.28 m。

（3）頂板錨索支護(hù)優(yōu)化：由于原錨索屬于點(diǎn)性支護(hù)，為了提高錨索聯(lián)動(dòng)支護(hù)效果，將原錨索布置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用線性恒阻錨索支護(hù)，優(yōu)化后頂板每排布置3 根長(zhǎng)度為6.0 m，直徑為21.8 mm錨索，錨索間排距為1.5 m×3.0 m，同一排錨索外露端采用一根長(zhǎng)度為3.2 m，寬度為0.15 m 槽鋼進(jìn)行預(yù)緊。

3.2 桁架錨索支護(hù)

（1）桁架錨索支護(hù)原理

錨桿（索）支護(hù)主要通過(guò)錨固劑將支護(hù)體錨固在鉆孔內(nèi)，然后對(duì)錨桿（索）施加預(yù)應(yīng)力，并將預(yù)應(yīng)力傳遞至圍巖中，從而實(shí)現(xiàn)錨桿懸吊作用以及應(yīng)力組合梁（拱）作用。但錨桿支護(hù)在9102 運(yùn)輸順槽斷層破碎應(yīng)力帶無(wú)法對(duì)頂板施加主動(dòng)應(yīng)力； 而桁架支護(hù)在錨桿（索）支護(hù)作用下，對(duì)頂板產(chǎn)生斜向上的分力，從而削弱頂板應(yīng)力破壞作用[6]，支護(hù)原理如圖2所示。

圖2 9102 運(yùn)輸順槽應(yīng)力破碎區(qū)聯(lián)合支護(hù)

（2）支護(hù)工藝

①9102 運(yùn)輸順槽采用的桁架錨索主要由桁架托桿、預(yù)緊張拉器、桁架錨索等部分組成，桁架錨索長(zhǎng)度為4.0 m，直徑為17.8 mm，桁架托桿共計(jì)兩根，每根長(zhǎng)度為1.2 m，托桿兩端為圓柱狀，中部為方形，保證支護(hù)時(shí)圓鋼托架對(duì)頂板具有足夠的支撐作用力。

②桁架錨索鉆孔布置間距為2.0 m，鉆孔與頂板成75°夾角對(duì)稱(chēng)布置，鉆孔深度為6.0 m，直徑為30 mm，鉆孔施工完后立即錨注兩個(gè)錨索。

③在同一排兩根桁架錨索外露端各安裝一根桁架托桿，并利用預(yù)緊張拉器對(duì)兩根桁架托桿施加張拉預(yù)緊力，預(yù)緊后保證桁架托桿與頂板接觸嚴(yán)實(shí)，并確保桁架托桿對(duì)兩根錨索施加預(yù)應(yīng)力。

3.3 超前管棚支護(hù)

為了避免因應(yīng)力作用出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，掘進(jìn)前對(duì)巷道前方斷層破碎帶煤體施工一排超前管棚。

（1）超前管棚材料為中空無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度3.5 m，直徑為35 mm，鋼管端頭為尖銳狀，每排布置15根管棚，間距為0.3 m。

（2）超前支護(hù)鉆孔布置在巷道頂板，并與巷道迎頭煤體垂直布置，鉆孔設(shè)計(jì)深度為3.8 m，直徑為40 mm，鉆孔施工完后將超前管棚支護(hù)體插入鉆孔內(nèi)，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中以管棚支護(hù)為頂板，并將鋼帶施工在管棚支護(hù)下方。

（3）在施工超前管棚支護(hù)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)用激光給定管棚支護(hù)中心線，保證管棚支護(hù)施工完后在同一水平面上，單根管棚施工時(shí)保證在垂直面上偏差角控制在3°范圍內(nèi)。

4 應(yīng)用效果分析

截止2020年10月2日，9102 運(yùn)輸順槽已掘進(jìn)540 m，且巷道已完全穿過(guò)F7斷層應(yīng)力影響區(qū)。巷道過(guò)應(yīng)力區(qū)期間，從460 m 處開(kāi)始頂板每隔15 m布置一個(gè)頂板離層儀，共計(jì)布置2 個(gè)，在450～460 m 段（注：此段范圍內(nèi)頂板采用原支護(hù)方式，未聯(lián)合支護(hù)）頂板安裝同型號(hào)的頂板離層儀，進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)20 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)：

1）采取聯(lián)合支護(hù)前，450～460 m 段巷道0～9 d 時(shí)間內(nèi)，頂板下沉量較大，下沉量為0.38 m，9～17 d 時(shí)間內(nèi)下沉量逐漸減小，第16 d 后頂板趨于穩(wěn)定，頂板總下沉量為0.45 m，如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)錨桿（索）拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巷道支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重，每20 根支護(hù)體中有3 根失效，失效率達(dá)15%。

圖3 應(yīng)力破碎頂板支護(hù)優(yōu)化前后下沉量變化曲線

2）采取聯(lián)合支護(hù)措施后，460～540 m 段巷道0～8 d 內(nèi)，頂板產(chǎn)生蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，下沉量為0.14 m；8～14 d 期間，聯(lián)合支護(hù)對(duì)流變性頂板起到耦合支護(hù)作用，頂板下沉量逐漸減小，14 d 后頂板趨于穩(wěn)定，頂板總下沉量為0.19 m；頂板錨桿（索）支護(hù)失效現(xiàn)象得到有效控制，失效率控制在4%以下。

5 結(jié)論

1）9102 運(yùn)輸順槽錨桿（索）支護(hù)優(yōu)化方案解決了原錨桿（索）支護(hù)時(shí)支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)效果差等技術(shù)難題，提高了錨桿（索）支護(hù)組合拱（梁）、懸吊作用。

2）應(yīng)力區(qū)頂板采取桁架錨索支護(hù)后，削弱了斷層構(gòu)造應(yīng)力對(duì)頂板垂直破壞作用，控制了斷層破碎帶圍巖松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，降低了圍巖出現(xiàn)離層、下沉現(xiàn)象，保證了錨桿（索）支護(hù)效果。

3）施工超前管棚支護(hù)后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)迎頭圍巖超前支護(hù)的目的，防止了巷道圍巖超前破壞現(xiàn)象，有效控制了巷道掘進(jìn)期間因支護(hù)不及時(shí)出現(xiàn)頂板冒漏、片幫等現(xiàn)象。