掘進巷道過應力區支護優化設計

賈雅雅

（晉能控股煤業集團同忻煤礦山西有限公司，山西 大同 037000）

引言

巷道掘進過程中受斷層影響，破壞了原巖整體力學結構，導致巷道掘進過程中出現應力顯現現象，主要表現在煤壁片幫、頂板破碎等，而傳統采用的錨桿（索）支護只可對圍巖表層進行有效支護和控制作用，一旦圍巖受應力破壞作用，出現圍巖松動圈后，支護在松動圈內不僅支護難度大，而且支護質量差，對破碎圍巖很難達到有效控制作用，所以對于應力區圍巖出現應力顯現時，必須合理分析圍巖受力情況以及圍巖出現破壞的機理，然后根據生產實際情況采取合理有效的聯合支護技術，只有這樣才能保證巷道安全快速掘進，避免頂板事故發生。

1 同忻煤礦5210 巷概述

晉能控股煤業集團同忻煤礦山西有限公司5210 巷上覆為同家梁礦14 號層采空區集中大巷，層間距180～220 m，東部為二盤區輔運、皮帶、回風大巷，南部、西部均為實煤區，5210 巷道北部為8305工作面采空區（預計有積水10 萬m3），水平距離5.0 m，巷道掘進受同層水、小煤柱破碎及上覆集中大巷煤柱影響。5210 巷設計長度為855 m，巷道設計斷面規格為寬×高=5.2 m×4.0 m，巷道掘進煤層為3-5 號煤層中，煤層厚度為6.59～15.88 m，平均煤厚12.54 m，3-5 號煤層頂底板主要以泥巖為主，如表1 所示。

表1 3-5 號煤層頂底板巖性匯總表

5210 巷采用綜合機械化掘進工藝，截止目前巷道已掘進462 m，通過鉆探發現巷道掘進至472 m處巷道將揭露一條F4 正斷層，斷層落差為2.2 m，傾角為52°，受F4 斷層影響，巷道掘進至450 m 處時頂板出現破碎現象，主要表現在頂板穩定性差、局部破碎以及支護效果差等，當巷道掘進至462 m 處時，巷道出現第一次冒漏，冒漏高度為1.2 m，頂板采用傳統錨桿（索）支護失效率高，無法滿足應力區巷道圍巖支護要求[1-2]。

2 應力區巷道圍巖破碎機理

1）斷層殘余應力破壞作用。5210 巷在掘進前F4斷層應力在圍巖內部未進行釋放，當巷道掘進至斷層附近時，巷道為構造應力創造了釋放空間，斷層應力沿煤體向巷道內傳遞，應力在傳遞過程中對圍巖產生裂隙擴張破壞作用，且隨著應力傳遞，裂隙帶向巷道內延伸，導致巷道頂板出現高密度裂隙區，并在巷道頂板形成圍巖松動圈，降低了圍巖穩定性，加劇了頂板破碎力度。

2）圍巖穩定性差。5210 巷預留頂煤厚度為8.54 m，3-5 號煤層結構復雜，煤層穩定性差，煤體單軸抗壓強度不足20 MPa，頂煤在應力作用下很容易產生裂隙破碎現象，從而降低了原頂板承載能力，破壞了頂板力學結構。

3）支護強度低。5210 巷原頂板主要采用“錨桿+錨索+W 鋼帶+組合錨索+金屬網”聯合支護，頂板錨桿長度為2.8 m，直徑為22 mm，而頂煤在構造應力作用下頂板形成圍巖松動圈，松動圈深度達2.4 m，原頂板錨桿錨固段位于松動圈內，錨桿錨固效果差，導致錨桿支護質量差、支護失效率高等，原頂板支護設計無法滿足應力區圍巖支護需求。

3 應力區巷道支護優化

為了保證巷道安全快速過F8 斷層應力區，同忻礦通過技術研究，對原支護進行合理優化。

3.1 對原錨桿和鋼帶支護進行優化

為了實現支護體能夠適應應力區頂板蠕動變形現象，實現支護體耦合支護作用，對原錨桿、鋼帶支護進行合理優化。

1）優化后頂板每排布置7 根長度為3.5 m的錨索代替原錨桿，錨索直徑為21.8mm，錨索間距為0.8m，排距為0.9 m，每根錨索采用三支錨固劑進行錨固，錨固力不得低于470 kN，預緊力不得低于290 kN。

2）每排錨索施工完后，在同一排錨索錨索外露端安裝一根長度為4.6 m“JW”型鋼帶，鋼帶寬度為0.33 m，厚度為6 mm，相比“W”型鋼帶，該鋼帶支護截面積大，且對頂板不會產生切頂破壞作用；原巷道頂板錨索支護設計不變。

3.2 對破碎頂板進行桁架錨索支護

為了降低垂直應力對頂板的垂直破壞作用，保證頂板錨桿（索）支護后預應力能夠被穩定持續地傳遞至破碎圍巖中，決定對破碎頂板施工桁架錨索支護。

1）每架桁架錨索支護主要由兩根錨索、兩根桁架拉桿、一個張拉器組成；錨索長度及強度支架關系著桁架支護效果，通過拉拔試驗決定采用長度為4.0m，直徑為21.8 mm的錨索，該錨索最大破斷力為583kN，延展率為13%。

2）桁架錨索支護施工在兩排JW型鋼帶之間間隙頂板上，該支護施工排距為2.7 m，首先在頂板施工兩個錨索支護孔，孔間距為2.5 m，兩個支護孔對稱布置，孔深度為4.0 m，直徑為28 mm，與頂板斜角為65°。

3）支護孔施工完后依次安裝錨索，并在錨索外露端安裝桁架拉桿以及張拉器，并對兩根錨索施加水平預緊力，錨索施加預緊力后在垂直鉆孔壁方向產生斜向上的應力，該應力可對頂板垂直應力起到削弱作用，支護原理如圖1 所示。

圖1 5210 巷應力區頂板聯合支護斷面示意圖（單位：mm）

3.3 在應力區巷道架設密集聯鎖梯形鋼棚，形成聯鎖梯形梁支護

為了進一步加強頂板穩定性，構造頂板穩定的承載梁結構，決定在應力區巷道內架設密集聯鎖梯形梁鋼棚。

1）聯鎖梯形梁鋼棚主要由棚腿、棚腿固定座、梯形頂梁、卡纜、聯鎖拉桿等部分組成，棚腿采用U29型鋼制成，每節棚腿長度為2.5 m，采用卡纜進行固定；頂梁采用13 號槽鋼焊制而成，寬度為0.4 m，長度為5.2 m。

2）梯形梁鋼棚安裝間距為1.5 m，相鄰兩節鋼棚安裝后采用九組聯鎖拉桿進行固定，其中棚腿與頂頂梁各三組，對于頂板破碎區，若頂梁與頂板接觸不嚴實可采用水泥背板進行填充。

3）與傳統矩形工字鋼棚相比，梯形梁鋼棚具有支護斷面大、頂梁承載能力強、不易變形等優點，可適用于大應力采掘工作面中[3-5]。

4 優化后應用效果

截至2020 年12 月23 日，5210 巷已掘進至520 m處，對5210 巷斷層應力區采取聯合支護設計后，通過30 d 現場觀察發現，聯合支護后0～7 d 范圍內，頂板蠕動變形相對嚴重，頂板支護與圍巖未達到完全耦合支護作用，頂板出現短時間下沉現象，下沉量為0.09 m；在7～19 d 范圍內，頂板蠕動變形現象逐漸減弱，聯合支護對變形頂板逐漸起到耦合支護作用，頂板在該時間段內下沉總量為0.05 m；在19 d 后頂板達到完全控制作用，頂板下沉量趨于零，在此期間頂板未出現破碎、冒落現象，取得了顯著應用成效。