淺析復雜地質破碎帶順槽巷道支護技術應用

楊友德 浩 軍

（1.微山崔莊煤礦有限責任公司，山東 濟寧 277606；2.山東煤礦安全監察局救援指揮中心，山東 濟南 250031）

1 概況

崔莊礦井開采3 煤，分為3上和3下煤層，現開采3下煤層。23下07 工作面軌道順槽位于3下煤層中，煤層傾向SW，煤層傾角在11°～13°之間，平均12°，煤層厚平均4.20 m。煤層偽頂為頁巖，厚約0.15 m，直接頂為中砂巖，厚約14.76 m，f=3～5，老頂為細砂巖，厚約8.08 m， f=6～8；直接底為泥巖，厚約2.55 m ，f=3～5。23下07 工作面軌道順槽布置在3下煤層中，方位82°沿3‰上山掘進至右幫3下煤層底板后，沿右幫3下煤層底板施工，全長529.80 m，層間距約25 m。20下07 工作面地質平面圖如圖1 所示。掘進迎頭在掘進過程由于地質構造或巖性變化加之受3上煤的采動影響，頂板破碎，局部連續成片冒落，形成空洞現象，給臨時支護和永久支護帶來影響。

2 支護設計

2.1 臨時支護

2.1.1 臨時支護裝置

巷道采用吊掛杠桿式前探梁，吊環、前探梁兩端各有一個吊掛防滑鏈。

（1）前探梁：采用高×寬=90 mm×60 mm 的方形鋼管制作而成，壁厚5 mm，前探梁2 根，長度為4.50 m。前探梁兩端各安設一個吊掛防滑鏈，如圖2。

（2）吊環：為矩形，采用10 mm 的鋼板間隔80 mm 焊接在10#槽鋼，吊環一側焊接銷子閉鎖前探梁。吊環高300 mm，每隔70 mm 對應鉆三個銷孔用來鎖住前探梁。

（3）接頂板梁：3.80 m 板梁4 塊，厚30 mm，寬100 mm，背板10 塊，木剎20 塊。

（4）防滑鏈：Φ5 mm 鏈環，長500 mm，一端焊接在前探梁上，另一端掛在頂板金屬網上防滑脫。

2.1.2 使用工藝設計

杠桿式前探梁，其鋼管開口處有插銷，鋼板槽上鉆出三個或四個間隔70 mm 的插孔，只要把鋼管放入卡槽內，可隨著頂板高低變化上下調節前探梁，進行前后伸縮和上下調高，再插上定位銷，即可完成。如果將定位銷抽出，就能快速取下前探梁，操作方便簡單。

圖1 23下07 工作面地質平面圖

圖2 杠桿式前探梁

2.2 破碎帶頂板控制

2.2.1 局部連續成片破碎

局部連續成片出現煤（巖）體破碎形成冒落區，補打錨索，并用W 鋼帶串聯在一起，提高護表強度，防止煤體破碎向深層發展。

2.2.2 冒頂、片幫

巷道整體變形較大，冒頂、片幫嚴重，縮小錨桿間排距為600 mm，并增加架棚復合支護，棚距600 mm，位于錨桿排距中間，如圖3。

2.3 永久支護

巷道永久支護采用錨網（索）復合支護。

（1）支護錨桿長度確定

L長=L外+L有+L固

式中：L長為支護錨桿長度，m；L外為支護錨桿外露長度，m；L有為支護錨桿有效長度（頂錨取圍巖松動圈冒落高度b，幫錨取幫破碎深度c），m；L固為錨桿錨固長度，m。

其中圍巖松動圈冒落高度b：

幫的破碎深度c：

圖3 巷道特殊支護斷面圖

式中：B 為巷道掘進荒寬，選4.20 m；H 為巷道掘進荒高，選2.80 m；f頂為頂板巖石普氏系數；ω 為兩幫圍巖的內摩擦角，ω=arctan（f頂）。

① 錨桿外露長度L外的確定

L外=L墊（墊盤厚度）+L母（螺母厚度）+（0.01～0.05）m，一般L1=0.15 m。

② 錨桿有效長度L有的確定

由于頂板有2.05 m 左右的厚度煤層，煤的堅固系數選2.5，屬于≥2，因此采取下列公式確定L有：

式中：f 為普氏系數，選f=2.5；B 為巷道荒寬，選4.20 m；H 為巷道荒高，選2.80 m；θ 為內摩擦角度數，選45°。

（2）錨桿間排距確定

參考相關經驗值，巷道頂錨桿間排距確定為900 mm×900 mm，巷道兩幫錨桿間排距確定為800 mm×900 mm。

（3）錨桿直徑的確定

參考經驗值，取頂錨桿Φ20 mm，取幫錨桿Φ18 mm。

（4）錨桿錨固力計算

錨桿錨固力可按下式計算：

式中：σ屈為桿體材料的屈服極限，取σ屈=335 MPa；d 為桿體直徑，mm。

（5）錨桿的選擇

巷道頂部錨桿選取Φ20 mm×2200 mm 右旋螺紋鋼錨桿，Q=100 kN。

巷道幫部錨桿選取Φ18 mm×1800 mm 右旋螺紋鋼錨桿，Q=90 kN。

巷道頂、幫錨桿間排距均定為0.60 m×0.60 m。

（6）錨索長度的確定

X長=X外+X巖+X固=0.25+4.50+1.60=6.35 m

式中：X外為錨索外露長度，選0.25 m；X巖為潛在不穩定巖層高度,選4.50 m；X固為錨索錨固長度，選1.60 m。

經過計算錨索長度選6.50 m。

（7）錨索排距

參考經驗值，錨索的排距選a索排=0.90 m。掘進巷道每排布置5 根錨桿，一排布置1 根錨索，另一排再布置2 根錨索，呈三花布置，間距a索間=0.90 m。

（8）錨索的錨固力錨索錨固力P

P1≥P ≥P1/K 或P2/K

P ≥400/2=200 kN

式中：P 為設計錨索錨固力，kN；P1為錨固段錨固劑與孔壁的粘結力，kN；P2為錨固段錨固劑與鋼絞線的粘結力，kN；K 為安全系數，取2。

（9）錨索選擇

采用規格為Φ17.80 mm×6000 mm 鋼絞線，第一排布置2 根錨索，隔一排再布置2 根錨索，呈“矩形”布置，間距×排距=1800 mm×1800 mm，采用三支樹脂錨固劑錨固，一支規格為MSK2350，兩支規格為MSZ2350；尾部配有高強度鎖具，配套金屬托板規格長×寬×厚=215 mm×215 mm×12 mm。

（10）支護流程

① 掘進后，首先人員站在安全地點進行敲幫問頂及圍巖觀測，找掉活矸危巖；② 挪移吊環架，并固定牢固；③ 沿吊環架推移前探梁至迎頭煤壁，用銷子將前探梁鎖住；④ 在前探梁上鋪上金屬網、鋼筋梯（且在金屬網下穿上木板梁）；⑤ 掛上前探梁兩端的防滑鏈防止前探梁下滑。臨時支護時,吊環架必須全部旋入錨桿中（吊掛前探梁的錨桿外露長度80～120 mm）,且牢靠緊固,錨桿露出螺帽外的長度不得小于2 絲。

托盤：采用拱形高強度托盤，托盤規格為150 mm×150 mm×8 mm。

采用鋼筋梯（或W 鋼帶）壓網，鋼筋梯規格：采用Φ12 mm 鋼筋焊接，規格為12mm×60 mm×3900 mm；鋪設菱形網，規格為長× 寬=5000 mm×1050 mm，網格為長×寬=40 mm×40 mm。

（11）巷幫支護

巷幫支護采用規格為Φ18 mm×1600 mm 左旋螺紋鋼錨桿，兩幫由上向下布置4 根，間距×排距=600 mm×600 mm，巷幫中間錨桿與巷幫成90°布置，上下2 根的錨桿向上下各偏移15°，各采用兩支樹脂錨固劑錨固，一支規格為MSK2350，另一支規格為MSZ2350。

托盤：采用拱形高強度托盤，托盤規格為120 mm×120 mm×6 mm。

采用鋼筋梯壓網，規格：采用Φ8 mm 鋼筋焊接，規格為8mm×60 mm×2900 mm。

鋪設菱形網，規格：網片規格為2500 mm×1050 mm，網格規格為40 mm×40 mm。

巷道支護斷面圖、平面圖如圖4、圖5 所示。

圖4 巷道支護斷面圖

圖5 巷道支護平面圖

3 現場效果分析

（1）頂板離層監測：距迎頭每60 m 安設一個頂板離層儀，遇特殊地質構造、斷層帶等特殊條件下，必須縮小安設距離，距離不大于25 m。

（2）軌道順槽在頂板破碎掘進過程中，對頂板控制進行了觀測，實踐效果明顯，破碎帶得到了有效控制。

4 結論

（1）臨時支護采用開口杠桿式前探梁，能緊貼頂板巖面，保證了頂板控制牢固可靠和整體支護作用，適應于各類地質條件變化的掘進頂板支護。

（2）巷道整體變形較大，冒頂、片幫嚴重，通過架棚復合支護，提高了冒落區頂板的完整性，控制了頂板離層和圍巖變形。