大斷面巷道破碎頂板支護(hù)優(yōu)化

李 璋

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036600）

1 11303 工作面概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司11303 進(jìn)風(fēng)順槽位于井田三采區(qū)西翼，巷道北為11號煤西翼集中回風(fēng)下山，南為實體煤，東為原橋頭鎮(zhèn)辦煤礦老空區(qū)，西為11301 采空區(qū)，上覆為原金義煤礦舊小窯采空區(qū)。

11303 工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿11 號煤層底板掘進(jìn)，巷道設(shè)計長度1 112.75 m（平距），巷道采用矩形斷面，掘進(jìn)寬度5 m、掘進(jìn)高度2.7 m，掘進(jìn)斷面面積13.5 m2；凈寬5 m、凈高度2.6 m，凈斷面面積13 m2。煤層厚度1.1～2.8 m，平均2.4 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角2°～8°。

直接頂為砂質(zhì)泥巖、11 上煤層、泥巖，平均厚度9.7 m；其中砂質(zhì)泥巖灰黑色、黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，含有粉砂質(zhì)條帶，平均厚度2.2 m。基本頂為砂質(zhì)泥巖、粗砂巖，平均厚度17 m；其中砂質(zhì)泥巖灰黑色、黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)，含有粉砂質(zhì)條帶，平均厚度7.0 m。老底為泥巖、粗砂巖，平均厚度12.0 m；其中泥巖灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，平均厚度4 m。

11303 工作面兩順槽掘進(jìn)期間預(yù)計共計揭露斷層13 條，其中F89、F92、F95、F96、F110 斷層導(dǎo)致巷道內(nèi)同時揭露11 號上組煤與11 號下組煤，直接導(dǎo)致回采過程中11 號上下組煤層之間的穩(wěn)定砂質(zhì)泥巖被破壞，導(dǎo)致回采期間頂板破碎及片幫情況頻發(fā)，增加了頂板管理難度；斷層附近頂板破碎，可能造成掘進(jìn)期間頂板局部大面積冒落，甚至漏頂[1-3]。

2 巷道原支護(hù)設(shè)計及問題分析

2.1 原支護(hù)設(shè)計

1）11303 工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板每排布置5 根錨桿，錨桿長度為2.0m，錨桿間距為1.1 m、排距為2.0 m，兩角錨桿向外側(cè)偏斜10°，其余垂直頂板布置；每排錨桿外露端安裝一根長度為5.0 m“W”型鋼帶。

2）11303 進(jìn)風(fēng)順槽非回采側(cè)采用Ф16 mm×1 800 mm 圓鋼錨桿，鉆孔深度1.75 m，；回采側(cè)采用Ф20 mm×2 200 mm 玻璃鋼錨桿，鉆孔深度2.15 m，幫錨桿距頂板0.8 m 處開始布置，回采側(cè)排距1.0 m，每排1根；非回采側(cè)間排距1.0 m，每排2 根，垂直幫部布置。

3）頂板錨索長度為4.0 m、直徑為17.8 mm，距巷道中線0.9 m 布置，間距1.8 m、排距2.0 m，2-1-2 五花布置，錨索垂直頂板布置；錨索托盤采用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm 凹形鋼托板。

2.2 原支護(hù)主要存在的問題

1）頂板在應(yīng)力作用下出現(xiàn)破碎，破碎區(qū)內(nèi)裂隙高度發(fā)育，通過對應(yīng)力區(qū)頂板施工深度為5.0 m 窺視孔發(fā)現(xiàn)，在頂板網(wǎng)上3.0 m 范圍內(nèi)巖體破碎嚴(yán)重，窺視孔孔壁巖體不完整且裂隙發(fā)育，在3.0 m 以上頂板巖體完整性相對較好；而原頂板采用錨桿長度為2.0 m，錨桿采用端頭錨固方式，每根錨桿采用一支MSZ23/60 型錨固劑進(jìn)行錨固，錨固有效長度為0.55 m，錨桿錨固力為190 kN，預(yù)緊力為300 N·m，錨桿錨固段位于不穩(wěn)定巖體中，導(dǎo)致錨固以及預(yù)緊過程中錨固段巖體出現(xiàn)破碎垮落，降低了錨桿懸吊以及支護(hù)拱（梁）支護(hù)作用。

2）原頂板鋼帶采用的是W 型鋼帶，鋼帶寬度為0.22 m、厚度為3.0 mm，鋼帶橫向抗拉強(qiáng)度為457 MPa，縱向抗拉強(qiáng)度為380 MPa，該鋼帶抗壓強(qiáng)度小，在應(yīng)力區(qū)支護(hù)時很容易出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象；而且在應(yīng)力區(qū)支護(hù)時W 型鋼帶支護(hù)斷面小。

3）傳統(tǒng)支護(hù)時同一排施工錨桿、鋼帶對頂板進(jìn)行控制維護(hù)，而原頂板支護(hù)排距為1.0 m，當(dāng)巷道在應(yīng)力作用下同一排錨桿支護(hù)區(qū)域有限，相鄰兩排鋼帶之間無聯(lián)鎖支護(hù)作用，當(dāng)相鄰兩排鋼帶之間巖體出現(xiàn)破碎垮落時，很容易造成鄰近錨桿支護(hù)失效現(xiàn)象。

4）原頂板支護(hù)的錨索長度為4.0 m、直徑為17.8 mm，而位于錨索錨固段存在一層厚度為0.6 m 泥巖，在應(yīng)力作用下該層泥巖容易出現(xiàn)離層現(xiàn)象，導(dǎo)致錨索支護(hù)失效；同時錨索直徑小，在應(yīng)力作用錨索容易出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，滿足不了高應(yīng)力圍巖支護(hù)需求。

3 應(yīng)力區(qū)聯(lián)合支護(hù)應(yīng)用

3.1 永久支護(hù)優(yōu)化

1）為了提高鋼帶抗壓強(qiáng)度以及支護(hù)截面積，決定對原頂板W 型鋼帶進(jìn)行優(yōu)化，采用長度為5.0 m、寬度為0.28 m、厚度為4 mm 的“JW”型鋼帶，鋼帶上布置6 個錨桿支護(hù)孔，孔間距為0.9 m，鋼帶布置間距為1.0 m，JW 型鋼帶縱向承載強(qiáng)度為550 MPa，橫向承載強(qiáng)度為580 MPa。

2）頂板每排布置6 根長度為2.5 m、直徑為22 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，待相鄰三排錨桿施工完后在第一排鋼帶的端頭錨桿外露端分別安裝一根長度為2.0 m、直徑為20 mm 圓鋼托架，另一端固定在第三排端頭錨桿上，如圖1 所示。

圖1 優(yōu)化頂板錨桿索支護(hù)平面（單位：mm）

3）在第一排第二根錨桿上一端固定一根圓鋼托架，長度為2.5 m，另一端固定在第三排第五根錨桿上，在第三排第五根錨桿與第五排第二根錨桿上同樣固定一根圓鋼托架，整體成邁步式布置，如圖1 所示。

4）為了提高錨索支護(hù)質(zhì)量，優(yōu)化頂板錨索采用長度為8.3 m、直徑為21.8 mm 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置三根，錨索布置間排距為2.0 m，為了提高相鄰兩排錨索之間聯(lián)鎖支護(hù)作用，第一排第一根、第三根與第二排第一根、第三根錨索之間分別安裝一根長度為3.0 m 鋼梁，第二排第二根錨索與第三排第二根錨索之間安裝一根鋼梁，如圖1 所示。

3.2 注漿支護(hù)

巷道在過應(yīng)力區(qū)圍巖破碎嚴(yán)重，傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)無法有效支護(hù)時對頂板破碎巖體進(jìn)行注漿支護(hù)。

1）首先對應(yīng)力區(qū)頂板施工一排注漿鉆孔，鉆孔深度為3.5 m、直徑為45 mm，每排施工3 個，注漿孔布置間距為1.8 m，其中位于兩幫側(cè)鉆孔水平角為30°，所有鉆孔布置仰角為20°。

2）注漿鉆孔施工完后開始注漿，注漿液采用聚氨酯有機(jī)化學(xué)材料，注漿工序為安裝注漿軟管→安裝封孔器→連接注漿泵→注漿施工，注漿時注漿壓力控制在2.0 MPa 范圍，單孔注漿時間為15 min。

3.3 架棚支護(hù)

為了防止應(yīng)力區(qū)頂板出現(xiàn)蠕動變形，導(dǎo)致頂板破碎、垮落等，應(yīng)力區(qū)頂板永久支護(hù)及注漿支護(hù)施工完后對應(yīng)力區(qū)架設(shè)矩形工字鋼棚。

1）應(yīng)力區(qū)架設(shè)的工字鋼棚主要由底座、地錨、棚腿、棚梁、連接桿、卡纜等部分組成，其中底座采用長度及寬度均為0.3 m、厚度為10 mm 鋼板焊制而成，底座兩側(cè)焊制兩個直徑25 mm 地錨支護(hù)孔。

2）棚腿長度為2.7 m，棚腿采用11 號工字鋼梁焊制而成，棚腿中部焊接兩個連接套環(huán)，棚腿頂部焊制兩個卡纜固定孔，底座與棚腿之間采用螺栓進(jìn)行固定；棚梁長度為5.0 m，采用15 號槽鋼焊制而成。

3）先在巷道底板安裝底座并采用地錨進(jìn)行固定，底座安裝后將棚腿與其固定，棚梁與棚腿之間采用卡纜進(jìn)行固定，待鋼棚安裝后在棚梁與頂板之間采用水泥棚板進(jìn)行填充，如圖2 所示，鋼棚架設(shè)間距為1.0 m，所有鋼棚安裝后在相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用連接桿連接固定。

圖2 應(yīng)力區(qū)巷道矩形鋼棚支護(hù)

4 結(jié)語

泰山隆安煤礦11303 進(jìn)風(fēng)順槽于2021 年4 月已掘進(jìn)到位，巷道應(yīng)力區(qū)長度為87 m，通過對應(yīng)力區(qū)巷道圍巖支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化后，巷道在后期掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)頂板下沉、兩幫破碎現(xiàn)象，實測頂板下沉量控制在0.14 m 以下，為類似地質(zhì)條件巷道掘進(jìn)提供了實踐支護(hù)依據(jù)，取得了顯著應(yīng)用成效。