復(fù)雜條件下掘進(jìn)巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉植寧

（山西高平科興龍頂山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 概述

山西高平科興龍頂山煤業(yè)有限公司9102運(yùn)輸順槽位于井田901 采區(qū)，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2323m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.8m×2.6m，巷道沿9#煤層頂板進(jìn)行掘進(jìn)。

9102 運(yùn)輸順槽位于太原組中部，上距K7細(xì)砂巖39.94m，上距3 號(hào)煤層50～67.66m，平均58.39m，下距15 號(hào)煤層30.94～49.55m，平均37.75m。煤層厚度0～2.02m，平均1.60m，為中厚煤層，一般不含夾矸，為大部分可采的較穩(wěn)定煤層，井田內(nèi)中南部風(fēng)化剝蝕，在井田中部、東部出現(xiàn)不可采或沉積缺失。煤層頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、少量為細(xì)砂巖、鋁土泥巖，底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，少量為細(xì)砂巖、粉砂巖。

9102 運(yùn)輸順采用EBZ150 型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，截止2020年4月9102運(yùn)輸順槽已掘進(jìn)至780m處，巷道掘進(jìn)至772m處揭露一條F2正斷層，斷層落差為1.7m，傾角為53°，斷層與巷道夾角為79°，受F2斷層影響，巷道掘進(jìn)至760m巷道頂板出現(xiàn)破碎險(xiǎn)情，原頂板采用錨桿索支護(hù)效果差、支護(hù)難度大，局部頂板出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，威脅著巷道安全快速掘進(jìn)。

2 原巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)及問題分析

2.1 原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1.1 臨時(shí)支護(hù)

9102運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間采用錨桿下掛吊環(huán)，吊環(huán)內(nèi)穿金屬管作為前探梁，前探梁上放置木板和金屬網(wǎng)，以構(gòu)木與木鍥進(jìn)行背緊的臨時(shí)支護(hù)形式。吊環(huán)采用?100mm×4.5mm 的鐵管制作而成，配?18mm 的高強(qiáng)螺帽周圍雙層焊接，吊環(huán)擰緊在已打設(shè)安裝完畢的錨桿上。前探梁采用2根長(zhǎng)3m、?90mm×5mm的鋼管按錨桿間排距均勻懸吊于巷道頂部錨桿上，每根前探梁用2個(gè)吊環(huán)固定。

2.1.2 永久支護(hù)

該掘進(jìn)工作面采用錨網(wǎng)索支護(hù)作為永久支護(hù)，巷道頂板采用左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿、錨索、6#鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)；煤柱側(cè)巷幫采用高強(qiáng)度圓鋼錨桿、6#鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，回采側(cè)巷幫采用玻璃鋼錨桿、阻燃塑料網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

（1）9102運(yùn)輸順槽頂板采用左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)度為2.4m，直徑為22mm，桿體屈服強(qiáng)度為335MPa，極限強(qiáng)度為400MPa，錨尾進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，屈服強(qiáng)度不小于桿體[1]，延伸率大于15%，桿尾螺紋規(guī)格M22，采用滾壓加工工藝成型，每排布置6 根，錨桿間距為0.9m，排距為1.0m，每排錨桿外露端安裝一根長(zhǎng)度為4.8m“M”型鋼帶。

（2）9102 運(yùn)輸順槽頂板錨索采用“二·一·二”布置方式，排距為3.0m，錨索長(zhǎng)度為4.3m，直徑為17.8mm，錨索間距為3.0m，每根錨索外露端安裝一根長(zhǎng)度為0.8m工字鋼梁。

2.2 支護(hù)問題分析

當(dāng)頂板相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，原頂板支護(hù)滿足實(shí)際需求，但是9102 運(yùn)輸順槽過F2斷層期間，施工條件相對(duì)復(fù)雜，原支護(hù)在斷層應(yīng)力區(qū)應(yīng)用存在很多技術(shù)難題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）錨桿支護(hù)長(zhǎng)度不足：原頂板錨桿長(zhǎng)度為2.4m，錨固長(zhǎng)度為0.6m，巷道在過F2斷層期間頂板受應(yīng)力作用出現(xiàn)破碎現(xiàn)象[2]，頂板裂隙帶高度發(fā)育，導(dǎo)致頂板往上3.0范圍內(nèi)巖體穩(wěn)定性差，在該區(qū)域采用長(zhǎng)度為2.4m錨桿支護(hù)時(shí)不僅鉆孔施工難度大、錨固效果差，而且錨桿無法對(duì)破碎區(qū)域?qū)崿F(xiàn)懸吊支護(hù)作用。

（2）錨索支護(hù)強(qiáng)度低：原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中錨索長(zhǎng)度為4.3m，而錨桿長(zhǎng)度為2.4m，錨索與錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力疊加，起不到對(duì)頂板整體加固作用[3]。

（3）支護(hù)托盤支護(hù)截面積?。涸ёo(hù)設(shè)計(jì)中同一排錨桿外露端安裝一根長(zhǎng)度為4.8m“M”型鋼帶，該鋼帶寬度為0.15m，厚度為3mm，鋼帶不僅支護(hù)強(qiáng)度低，而且支護(hù)截面積小，無法對(duì)破碎頂板起到有效錨托作用。

3 頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了保證9102 運(yùn)輸順槽安全快速過F2斷層應(yīng)力區(qū)，提高頂板整體穩(wěn)定性，決定對(duì)原頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 大錨桿支護(hù)

為了解決原支護(hù)設(shè)計(jì)中錨桿支護(hù)不足的技術(shù)難題，提高錨桿的懸吊支護(hù)作用，決定對(duì)原錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采用大錨桿支護(hù)。

（1）大錨桿主要為長(zhǎng)度為3.5m，直徑為28mm高強(qiáng)度鋼錨桿，錨桿屈服強(qiáng)度為478MPa，極限強(qiáng)度為520MPa，每根錨桿采用三支錨固劑錨固[4]，其中快速（MSK23/35 型）錨固劑2 支，中速（MSZ23/60 型）錨固劑1支，錨固力不低于270kN,預(yù)緊力不低于400N·m。

（2）為了避免頂板在施工密集支護(hù)孔時(shí)對(duì)頂板產(chǎn)生擾動(dòng)破壞作用加劇了頂板破碎力度，原頂板錨桿支護(hù)優(yōu)化后每排由6 根錨桿縮減為5 根，錨桿間距為1.1m，排距為1.0m；錨桿垂直頂板布置。

（3）為了提高錨桿托盤支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)面積，優(yōu)化后頂板錨桿外露端安裝一根長(zhǎng)度為4.8m“JW”型鋼帶，鋼帶由高錳鋼焊制而成，鋼帶厚度為4.5mm，寬度為0.32m，鋼帶抗剪強(qiáng)度為340MPa，該鋼帶相比M 型鋼帶具有支護(hù)截面積大、強(qiáng)度高、變形率低等優(yōu)點(diǎn)[5]。

3.2 梯形錨棚支護(hù)

為了進(jìn)一步提高巷道頂板錨索支護(hù)效果，控制巷道直接頂穩(wěn)定性，決定在對(duì)原巷道頂板單錨索支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采用梯形錨棚支護(hù)。

（1）與傳統(tǒng)單錨索支護(hù)不同，梯形錨棚支護(hù)實(shí)現(xiàn)了同一排錨索聯(lián)鎖支護(hù)作用，9102 運(yùn)輸順槽斷層處頂板施工的梯形錨棚支護(hù)主要由梯形托架、3根恒阻錨索組成。

（2）梯形托架主要由3 根長(zhǎng)度為4.8m，直徑為18mm 圓鋼焊接而成，梯形托架寬度為0.45m，梯形托架兩端及中部焊接一個(gè)長(zhǎng)及寬為0.3m鋼板，鋼板中部焊接一個(gè)直徑為27mm 支護(hù)孔。恒阻錨索長(zhǎng)度為6.7m，直徑為21.8mm。

（3）首先在破碎巷道頂板施工3 根錨索鉆孔，鉆孔深度為6.7m，直徑為30mm，鉆孔間距為1.5m，鉆孔施工完后對(duì)鉆孔內(nèi)錨注三根錨索，然后在外露端安裝梯形托架，并采用鎖具進(jìn)行預(yù)緊；梯形錨棚施工排距為2.0m。

4 結(jié)束語

截止2020 年4 月12 日9102 運(yùn)輸順槽已掘進(jìn)至840m且完全過F2斷層影響地段，通過對(duì)斷層破碎區(qū)頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化后，巷道后期過F2斷層應(yīng)力區(qū)時(shí)頂板破碎現(xiàn)象得到了有效控制，避免了應(yīng)斷層影響導(dǎo)致頂板垮落事故，大大提高了巷道頂板支護(hù)效果及頂板穩(wěn)定性，取得了顯著應(yīng)用成效。