15102 運輸順槽破碎頂板支護(hù)優(yōu)化應(yīng)用

姚錦飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)華陽煤礦，山西 晉城 048000）

巷道掘進(jìn)過程中受上覆巖層重力、構(gòu)造應(yīng)力、掘進(jìn)擾動等影響，巷道圍巖出現(xiàn)變形、破碎現(xiàn)象[1-5]，如兩幫破碎、 垮落，底板鼓起以及頂板下沉破碎等；當(dāng)頂板出現(xiàn)變形破碎后，頂板承載梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，頂板極易出現(xiàn)垮落現(xiàn)象[6]。 對于破碎頂板主要采用錨桿（索）+鋼帶聯(lián)合支護(hù)，而頂板破碎后形成圍巖松動圈，傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)錨固段位于松動圈內(nèi)，導(dǎo)致支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重[7]；同時由于M型支護(hù)鋼帶在大應(yīng)力頂板中支護(hù)強(qiáng)度低，出現(xiàn)變形、斷裂現(xiàn)象，達(dá)不到有效支護(hù)效果。 所以對于應(yīng)力區(qū)頂板采取合理有效地支護(hù)技術(shù)，對巷道快速過應(yīng)力區(qū)，防止頂板事故發(fā)生具有重要意義[8]。 本文以華陽煤礦15102 運輸順槽為研究對象，對巷道掘進(jìn)過斷層破碎帶時原頂板支護(hù)設(shè)計主要存在問題進(jìn)行探討，并進(jìn)行合理優(yōu)化，提出JW型錨索梁棚支護(hù)。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)華陽煤礦15102 運輸順槽位于井田一采區(qū)，北側(cè)為井田邊界線，巷道南臨15#煤軌道大巷，西側(cè)距離15101 采煤工作面170 m，東側(cè)為原常莊煤礦老巷。

15102 運輸順槽沿15#煤層頂板掘進(jìn)，水平標(biāo)高為+658 m。 巷道采用矩形斷面，預(yù)計坡度為-2°～0°，沿中線掘進(jìn)，無腰線。 開口位置于15#煤運輸大巷與總軌道大巷交岔點向西178 m 處（中至中），在巷道北幫開口，開口方位角為359°05′45″；15#煤層厚度2.25～3.25 m，平均2.78 m，煤層厚度變化不大，含0～5 層夾矸，屬結(jié)構(gòu)簡單—復(fù)雜、穩(wěn)定可采的中厚煤層。 堅固性系數(shù)（f）為2。 15 號煤層位于太原組下部K2灰?guī)r下，上距9 號煤層底板28 m，下距K1砂巖頂5 m。15102 運輸順槽沿15#煤層頂板破底掘進(jìn)，頂板為K2灰?guī)r；底板為粉砂巖、泥巖、鋁土泥巖。

15102 運輸順槽設(shè)計長度為1 620 m，斷面為矩形斷面，凈寬×凈高為4.5 m×3.5 m，巷道采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至目前巷道已掘進(jìn)至569 m，巷道掘進(jìn)至560 m 處時揭露一條F8正斷層，斷層落差為19 m，傾角為56°，斷層侵入后導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，巷道在560～569 m 范圍內(nèi)頂板支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重，威脅著巷道安全快速掘進(jìn)。

2 巷道原支護(hù)設(shè)計及問題分析

2.1 原巷道支護(hù)設(shè)計

（1）開口處與交岔點采用頂部錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格為φ17.8 mm 的7 股鋼絞線，長度6.3 m，鉆孔深度6.0 m，外露長度150～250 mm，間距3.0 m，每排布置3 根且垂直頂板巖面；每根錨索采用一卷CK2335 型樹脂錨固劑和兩卷K2360 型樹脂錨固劑。

（2）頂錨桿為MSGLW-335/20×2400 左旋螺紋鋼（25MnSi)，直徑為20 mm，長度為2.4 m，頂錨桿鉆孔深度2.35 m，外露絲扣長度10～50 mm，間距×排距為1.0 m×1.2 m，每排5 根錨桿，靠近兩幫的錨桿距離巷幫250 mm，中間一根錨桿與錨索均沿巷道中線布置，每排錨桿外露端安裝一根長度為4.5 m，寬度為0.15 m，厚度為3.75 mm的“M”型鋼帶，如圖1 所示。

圖1 9102 運輸順槽原支護(hù)斷面

（3）幫錨桿為MSGLW-335/20×2000 左旋螺紋鋼錨桿，直徑為20 mm，長度為2.0 m，鉆孔深度1.95 m，排間距為1.2 m，每排3 根錨桿，頂幫錨桿距離頂板距離為0.5 m，上下兩根錨桿向頂?shù)装鍍A斜不大于15°，中部錨桿垂直巷幫布置。

（4）頂板錨索采用SKP18-1/1860 型鋼絞線，長度為4.5 m，直徑為17.8 mm，每排布置3 根，錨索間距為1.6 m，排距為3.0 m，每根錨索外露端安裝一塊厚度為16 mm 穹形錨索托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。

2.2 原支護(hù)存在的主要問題

原頂板主要采用單錨桿支護(hù)，錨桿長度為2.4 m，每排布置5 根，錨桿采用端頭錨固方式，每根錨桿采用CK2335 和K2360 錨固劑各一支，安裝錨固劑時，CK2335 在前，K2360 在后，設(shè)計錨固力105 kN，預(yù)緊扭矩不低于200 N·m；巷道在過F8斷層期間，斷層破壞了原煤巖層連續(xù)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致兩盤側(cè)煤巖體在空間上產(chǎn)生位移，構(gòu)造應(yīng)力在斷層面處出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象，在應(yīng)力釋放過程中對兩盤巖體產(chǎn)生剪切破壞作用，導(dǎo)致兩盤巖體破碎嚴(yán)重，形成松動圈；隨著應(yīng)力持續(xù)作用，應(yīng)力圈范圍不斷擴(kuò)大，而原頂板支護(hù)錨桿錨固段位于松動圈內(nèi)，致使錨桿錨固失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

同時原頂板錨桿（索）支護(hù)時，同一排支護(hù)體采用托板進(jìn)行預(yù)緊，托板支護(hù)面積小、 支護(hù)強(qiáng)度低，且當(dāng)頂板出現(xiàn)破碎、下沉?xí)r托板無法對大面積圍巖進(jìn)行有效支護(hù)。

3 應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)優(yōu)化

3.1 JW型錨索梁棚施工

為了解決提高巷道斷層區(qū)頂板支護(hù)質(zhì)量，控制頂板下沉、破碎現(xiàn)象，華陽煤礦通過技術(shù)研究決定對原支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）支護(hù)優(yōu)化后頂板采用JW 型型錨棚支護(hù)。該支護(hù)主要由JW型鋼梁和恒阻錨索等部分組成，其中，JW 型鋼梁長度為4.2 m，寬度為0.32 m，厚度為5 mm，鋼梁橫截面成“JW”型，如圖2 所示；該鋼梁主要通過模具一次性澆筑而成，鋼梁最大承載強(qiáng)度為1 280 MPa，重量為22.7 kg/m，鋼梁上均勻布置5 個支護(hù)孔，孔間距為1.0 m。

圖2 優(yōu)化后頂板支護(hù)

（2）恒阻錨索長度為6.3 m，直徑為21.8 mm，錨索抗拉強(qiáng)度為1 890 MPa，延展率為30%，每架錨索鋼梁配套5 根恒阻錨索。

（3）JW 型錨索梁棚具體施工工序如下： 施工錨索鉆孔→錨注恒阻錨索→安裝JW型鋼梁→鎖具預(yù)緊；JW 型錨索梁棚施工排距為1.2 m，在施工過程中若頂板破碎不平，鋼梁與頂板無法接觸時，可采用道木、木板對間隙處進(jìn)行填充。

3.2 JW型錨索梁棚施工注意事項

（1）為了提高恒阻錨索錨固效果，每根錨索應(yīng)采用三支錨固劑錨固[9]，其中兩支MSK23/35 型（快速）、一支MSZ23/60 型（中速），錨索錨固長度不低于1.3 m，錨固力不低于290 kN。

（2）錨索施工后保證外露長度控制在0.15～0.25 m 范圍內(nèi)，錨索垂直頂板布置，垂直角允許偏差為5°，錨索間排距必須符合施工設(shè)計要求。

（3）JW 型鋼梁安裝后及時對所有鎖具進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于220 kN，預(yù)緊后必須保證JW型鋼梁與頂板接觸嚴(yán)實[10]；若局部頂板出現(xiàn)破碎導(dǎo)致鋼梁無法接頂時，必須在間隙處填充水泥背板或道木。

（4）在進(jìn)行JW型錨索梁棚支護(hù)時，若頂板破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象，應(yīng)及時對破碎區(qū)采取注漿加固，待圍巖穩(wěn)定后方可繼續(xù)支護(hù)，防止錨索梁棚施工期間出現(xiàn)頂板垮落事故。

（5）JW 型錨索梁棚施工后應(yīng)每班安排專人對支護(hù)區(qū)圍巖變形情況、支護(hù)變形情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)錨索梁棚變形、斷裂等支護(hù)失效現(xiàn)象時，必須及時補(bǔ)打。

3.3 JW型錨索梁棚優(yōu)缺點

（1）支護(hù)強(qiáng)度高：與原錨桿支護(hù)相比，JW 型錨索梁支護(hù)全部采用恒阻錨索支護(hù)，錨索錨固段位于頂板穩(wěn)定巖體內(nèi)，解決了傳統(tǒng)錨桿長度小，錨固段位于松動圈內(nèi)出現(xiàn)錨固失效等技術(shù)難題，同時支護(hù)機(jī)構(gòu)采用JW 型鋼梁，鋼梁承載強(qiáng)度大。

（2）鋼梁不易變形：與原M 型、W 型鋼帶相比，JW 型鋼梁支護(hù)寬度大、支護(hù)強(qiáng)度高，在應(yīng)力區(qū)支護(hù)時可有效控制頂板變形、下沉現(xiàn)象，且鋼梁不易變形，對頂板支護(hù)效果好。

（3）對頂板切頂破壞?。翰捎霉ぷ咒摿涸谥ёo(hù)屬于線性支護(hù)，鋼梁兩側(cè)邊為支護(hù)承載結(jié)構(gòu)，而兩側(cè)邊寬度小，在應(yīng)力區(qū)或破碎區(qū)支護(hù)時，鋼梁很容易對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用，而JW 型鋼梁兩側(cè)為與弧形，在支護(hù)時鋼梁面與頂板可完全貼合，避免了鋼梁與頂板切頂破壞現(xiàn)象。

（4）JW 型錨索梁棚在實際支護(hù)過程中還存在一些缺點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①與原錨桿支護(hù)相比，該支護(hù)錨索梁棚重量大，不利于井下巷道快速支護(hù)，勞動作業(yè)強(qiáng)度高；②與原支護(hù)相比，該支護(hù)成本費用高，不適用于整條巷道支護(hù)。

4 結(jié)語

截至2021年2月21日，9102 運輸順槽已掘進(jìn)至620 m，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)F8斷層對巷道影響長度為50 m（560～610 m）。華陽煤礦通過對應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化，并采取JW型錨索梁棚支護(hù)后，應(yīng)力區(qū)頂板未出現(xiàn)破碎、冒漏現(xiàn)象。 通過對應(yīng)力區(qū)頂板安裝YH-300 型頂板離層儀并進(jìn)行15 d現(xiàn)場觀察，結(jié)果表明，JW 型錨索梁棚有效阻止了頂板大面積離層、下沉現(xiàn)象，頂板最大下沉量控制在0.14 m，取得了顯著應(yīng)用成效。