大斷面巷道破碎頂板支護(hù)優(yōu)化

李志東

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云長春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

煤礦巷道支護(hù)技術(shù)是煤礦開采中的關(guān)鍵技術(shù)，保持圍巖穩(wěn)定，控制巷道變形和破壞是實現(xiàn)礦山安全、高效生產(chǎn)的必要條件[1-4]，隨著礦井向深度和廣度發(fā)展，巷道支護(hù)問題表現(xiàn)得越來越突出。目前對于工作面巷道的頂板支護(hù)主要采用全錨桿支護(hù)，存在的缺陷是錨桿錨固長度較小，桿體破斷力較小，抗沖擊性能差[5-7]，支護(hù)不佳，另外，所使用的鋼帶強(qiáng)度和剛度小，容易撕裂和拉斷，護(hù)頂效果差；而對于巷道的兩幫支護(hù)，也采用全錨桿支護(hù)，且缺乏金屬網(wǎng)和鋼帶，很容易造成兩幫位移[8]，導(dǎo)致頂板支護(hù)失效或減弱。以長春興煤礦601運輸順槽為研究對象，對巷道掘進(jìn)期間支護(hù)失效機(jī)理進(jìn)行合理分析，并對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 巷道簡介

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云長春興煤業(yè)有限公司601 運輸順槽位于井田南盤區(qū)，巷道東西走向布置，巷道東部為南盤區(qū)大巷，北部為601工作面，南部為井田邊界，西部為礦井西部礦界及山煤集團(tuán)韓家洼煤礦。

601運輸順槽掘進(jìn)長度為1700m，巷道設(shè)計為矩形斷面，巷道掘進(jìn)寬度為5.4m，高度為3.5m，巷道沿22#煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，煤層平均厚度為9.5m，平均傾角為2°，煤層結(jié)構(gòu)情況如下：

平均煤層厚度：9.5m；煤層結(jié)構(gòu)：含夾矸3～4層；煤層傾角：2°；開采煤層：22#；煤種：氣煤：穩(wěn)定程度；較穩(wěn)定；煤的容重：1.4t/m3；煤層硬度：2～3；可采指數(shù)：1；變異系數(shù)：11.57%。煤層情況描述：工作面布置于石炭系太原組中下部22#煤層中，22#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度較穩(wěn)定，根據(jù)工作面鉆孔Z906得知，22#層上距最近16-2#煤層約99.15m，下距最近25-1#煤層約12.7m，工作面煤層總厚12.47m，儲量計算厚度9.5m，含3～4層夾矸。煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均-2°。呈一單斜構(gòu)造。

601運輸順槽采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截止目前巷道已掘進(jìn)至870m 處，巷道掘進(jìn)至855m 處揭露一條逆斷層，斷層落差為2.4m，傾角為42°，受斷層影響巷道掘進(jìn)至855m處圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，巷道頂板支護(hù)失效率高。

2 巷道原支護(hù)技術(shù)及支護(hù)失效機(jī)理

2.1 巷道原支護(hù)設(shè)計

601運輸順槽頂板初步采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、W型鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：

（1）錨桿支護(hù)：601運輸順槽頂板采用螺紋鋼錨桿，錨桿桿體總長度為2.5m，桿體直徑為22mm，錨桿兩側(cè)為無縱筋結(jié)構(gòu)，端頭為螺紋結(jié)構(gòu)，螺紋長度為100mm，錨桿采用加長錨固方式[9]，每根錨桿采用兩支錨固劑進(jìn)行錨固，錨桿錨固長度為0.95m；頂板每排布置6 根錨桿，錨桿布置間距為1.0m，布置排距為1.0m。

（2）錨索支護(hù)：頂板錨索采用長度為6.5m，直徑為17.8mm 鋼絞線，錨索采用端頭錨固方式，每根錨索采用3支錨固劑進(jìn)行錨固，錨固長度為1.55m，每排布置3根錨索，錨索間距×排距=2.0m×3.0m。

（3）W 型鋼帶支護(hù)：頂板采用的W 型鋼帶長度為5.2m，鋼帶寬度為0.25m，鋼帶與頂板錨桿配合支護(hù)，鋼帶布置時與巷道兩幫垂直。

（4）金屬網(wǎng)支護(hù)：鋼帶、錨桿支護(hù)前在頂板鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)采用棱形網(wǎng)格且采用8#鉛絲編制的，金屬網(wǎng)長度為7.0m，寬度為2.0m，金屬網(wǎng)鋪設(shè)時網(wǎng)延伸至兩幫長度不得低于0.5m，相鄰兩卷網(wǎng)采用疊加布置，疊加寬度為0.2m。

2.2 支護(hù)失效機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，巷道在揭露斷層時頂板破碎現(xiàn)象，頂板錨桿錨固效果差，錨桿失效率達(dá)13%，綜合分析頂板支護(hù)失效機(jī)理主要表現(xiàn)在以下幾方面：巷道在揭露斷層時，由于受構(gòu)造應(yīng)力影響，巷道頂板圍巖穩(wěn)定性差，特別是601運輸順槽煤厚9.5m，巷道預(yù)留頂煤厚度為6.0m，斷層侵入煤層后破壞了頂煤穩(wěn)定性，頂煤在斷層作用下出現(xiàn)裂隙帶[10]，導(dǎo)致頂煤出現(xiàn)松動圈，而錨桿支護(hù)時利用錨固劑進(jìn)行錨固，然后施加預(yù)應(yīng)力傳遞至穩(wěn)定巖體內(nèi)，但是當(dāng)圍巖破碎后錨桿錨固質(zhì)量差，造成錨桿出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

3 巷道頂板支護(hù)優(yōu)化

3.1 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計

頂板支護(hù)優(yōu)化巷道頂板布置鋼筋網(wǎng)、頂鋼帶以及每根鋼帶上間隔布置的頂錨桿，和在巷道兩側(cè)的幫錨桿，每根頂鋼帶上增設(shè)頂錨索，頂錨桿位于頂鋼帶的最中間兩排，相鄰頂鋼帶上的頂錨桿呈交錯排列，總體上呈“Z”字形排列。為了進(jìn)一步加強(qiáng)巷道兩幫的支護(hù)，防止兩幫位移導(dǎo)致頂板支護(hù)失效，本實用新型還包含增設(shè)在巷道工作面兩側(cè)的鋼筋網(wǎng)及幫鋼帶，相距一定距離的幫鋼帶上增設(shè)至少一個幫錨索。

鋪設(shè)在巷道頂板上的鋼筋網(wǎng)、頂鋼帶以及每根鋼帶上間隔布置的頂錨桿，間排距為900mm×900mm，頂錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm 螺紋鋼樹脂錨桿，還包含設(shè)置在巷道兩側(cè)的幫錨桿，間排距為900mm×900mm，板規(guī)格為?18mm×2000mm 螺紋鋼樹脂錨桿，每根頂鋼帶上增設(shè)頂錨索，頂錨索規(guī)格為?17.8mm×5200mm 鋼絞線，頂錨桿位于頂鋼帶的最中間兩排，相鄰頂鋼帶上的頂錨桿呈交錯排列，總體上呈“Z”字形排列，頂鋼帶為12#槽鋼。如圖1所示，同時還包含增設(shè)在巷道工作面兩側(cè)的鋼筋網(wǎng)及幫鋼帶，相距一定距離的幫鋼帶上增設(shè)一個幫錨索，幫錨索規(guī)格為?17.8mm×3500mm鋼絞線。

圖1 601運輸順槽支護(hù)優(yōu)化后平面示意圖

3.2 支護(hù)優(yōu)化后

（1）601 運輸順槽斷層區(qū)頂板支護(hù)優(yōu)化后，減少同一排錨桿數(shù)量，增加錨索數(shù)量，將原來的單錨索更換為錨桿、錨索聯(lián)合同排支護(hù)，從而實現(xiàn)了錨桿（索）組合梁（拱）支護(hù)和懸吊支護(hù)同步施工，通過錨索將錨桿支護(hù)區(qū)域巖體進(jìn)行懸吊，控制錨桿支護(hù)區(qū)域巖體下沉量，從而提高錨桿支護(hù)質(zhì)量。

（2）通過對兩幫增加鋼筋網(wǎng)、錨索構(gòu)件，控制斷層區(qū)巷幫煤體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，提高兩幫巖體穩(wěn)定性，采用巷道頂板和兩幫同時加固的原則，加強(qiáng)兩幫支護(hù)，大大增強(qiáng)支護(hù)效果，避免了因兩幫失穩(wěn)導(dǎo)致巷道頂板穩(wěn)定性下降、頂板斷裂破碎現(xiàn)象。

（3）由于原頂板采用的W 型鋼帶厚度小且支護(hù)強(qiáng)度低，在應(yīng)力區(qū)支護(hù)時鋼帶極易出現(xiàn)變形現(xiàn)象，不利于工作面后期回采時回收，而頂板支護(hù)優(yōu)化后頂板W 型鋼帶更換為槽鋼，不僅可回收重復(fù)利用，而且改變了原有鋼帶強(qiáng)度不足的現(xiàn)狀。

3.3 實際應(yīng)用效果分析

2021年8月17日早班對601運輸順槽頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，截止8 月25 日巷道已掘進(jìn)至925m，巷道已過斷層應(yīng)力區(qū)，通過對斷層區(qū)每隔20m 安裝一臺YH-300 型頂板離層儀，共計安裝兩臺，通過10d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，支護(hù)優(yōu)化后，應(yīng)力區(qū)頂板下沉、破碎現(xiàn)象明顯降低，在0～5d 范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)塑性變形，頂板支護(hù)未起到有效的耦合支護(hù)作用，頂板出現(xiàn)小量下沉現(xiàn)象，隨著支護(hù)作用體現(xiàn)，頂板下沉量逐漸減小，在第8d頂板停止下沉，頂板總下沉量為0.14m。

4 結(jié)束語

巷道掘進(jìn)期間圍巖控制是重要一項環(huán)節(jié)，通過對圍巖采取合理有效的支護(hù)技術(shù)，從而降低圍巖變形、破碎現(xiàn)象，防止頂板事故，保證巷道安全掘進(jìn)，但是在實際巷道掘進(jìn)過程中，由于受地質(zhì)構(gòu)造、煤巖層結(jié)構(gòu)以及支護(hù)技術(shù)等影響，采用傳統(tǒng)的單錨桿（索）支護(hù)時，支護(hù)單一、支護(hù)效果差，達(dá)不到預(yù)期支護(hù)效果；長春興煤礦601運輸掘進(jìn)過程中針對錨桿支護(hù)失效機(jī)理，對原支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，在不增加支護(hù)成本費用得同時，大大提高了支護(hù)質(zhì)量，簡化了支護(hù)工序，滿足大斷面巷道破碎圍巖支護(hù)作用，具有一定的推廣意義。