掘進巷道破碎圍巖支護優化設計

牛正杰，牛思迪

（1.晉能控股煤業集團晉城公司，山西 晉城 048000；2.晉能控股煤業集團盛泰煤礦，山西 高平 046700）

1 盛泰煤礦15201運輸順槽概況

晉能控股煤業集團盛泰煤礦15201運輸順槽位于二采區的中部，東部為實體煤層，西部20 m為準備面15202回風順槽。南面30 m為井田邊界，北部為西翼回風大巷、膠帶大巷、軌道大巷。

15201運輸順槽設計長度為2 580 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.2×3.2m，巷道掘進煤層為15號煤層，工作面煤層厚度變化不大，無突變現象，煤層結構簡單，局部褶曲現象比較明顯，但對整個工作面回采工作影響不大，含夾矸2層，單層厚0.02～0.1 m，煤層平均厚度為3.2 m，平均傾角為3.5°，巷道沿15號煤層底板掘進，截止2021年3月12日巷道已掘進1 200 m。

15201運輸順槽掘進至1180 m位于巷道東部27 m處揭露一條F9大斷層，斷層落差為21 m，傾角為64°，受該斷層影響巷道掘進至1 180 m處時進入大斷層應力影響區，巷道在1 180~1 193 m段掘進時構造應力影響相對較小，局部出現圍巖破碎現象，當巷道掘進1 195~1 200 m段時圍巖破碎嚴重，主要表現在頂板下沉量大、兩幫收斂嚴重，通過現場監測發現，在該區域頂板下沉量達0.38 m，兩幫收斂量達0.56 m。

1 巷道圍巖破碎機理

1）圍巖穩定性差：15201運輸順槽沿15號煤層底板進行掘進，煤層內含多層夾矸，煤層穩定性差，15號煤層直接頂主要以炭質泥巖為主，巖體平均厚度為4.5 m，巖體成層狀結構，巖石普氏系數f＜2.5，巖體硬度低，在應力作用下頂板出現失穩現象，導致頂板下沉、斷裂以及破碎現象。

2）構造應力影響：15201運輸順槽回采至1180m處時進入東部F9斷層應力影響區，巷道在掘進前構造應力在圍巖中實現應力平衡狀態，當巷道開挖后應力在開挖空間內進行釋放，應力釋放過程中對圍巖產生裂隙擴張破壞作用，導致圍巖應力作用大、破壞嚴重，出現圍巖破碎現象。

3）支護設計不合理：15201運輸順槽原頂板主要采用錨桿支護，每排布置5根錨桿長度為2.0 m，直徑為22 mm，錨桿間排距為1.0 m，錨桿外露端安裝一根W型鋼帶；由于受應力作用巷道圍巖出現圍巖松動圈，松動圈擴散直徑達2.2 m，原頂板錨桿錨固段位于松動圈內，錨桿錨固效果差，錨桿失效現象嚴重，達不到預期支護效果；同時原頂板錨桿支護屬于剛性支護，頂板出現蠕動變形時，錨桿與變形巖體無法實現耦合支護作用。

2 巷道支護優化應用

為了保證15201運輸順槽后期安全快速過斷層應力區，控制圍巖變形現象，決定對應力區巷道原支護進行優化，提出了“加長讓壓錨桿+L型鋼棚”聯合支護技術。

2.1 采用加長讓壓錨桿支護

2.1.1 支護原理

通過對破碎煤巖體中施工讓壓錨桿，通過錨桿錨固作用對破碎圍巖懸吊支護的同時，在錨桿與頂板之間安裝讓壓器，通過讓壓器實現錨桿與蠕動變形巖體耦合支護作用，即提高了錨桿雙向支護作用，又避免了傳統剛性錨桿支護時，受應力作用錨桿出現斷裂、彎曲現象，大大提高了錨桿支護效果。

2.1.2 支護結構

15201運輸順槽采用的讓壓加長錨桿主要由桿體、讓壓器、托盤等部分組成，桿體主要采用加長無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為3.5 m，直徑為22 mm，桿體錨固段為蛇形狀，提高桿體錨固效果，錨桿屈服強度為500 MPa；讓壓器長度0.4 m，最大讓壓距離為0.2 m，最大讓壓強度為680 MPa。托盤主要采用長度為4.2 m，寬度為0.35 m“JW”型鋼帶，與傳統W型鋼帶相比，該鋼帶支護截面積大、支護強度高等優點。

2.1.3 支護工序

1）首先對頂板施工一排讓壓錨桿支護孔，孔間距為1.0 m，鉆孔直徑為28 mm，深度為3.5 m，鉆孔施工完后對每個鉆孔內安裝兩支錨固劑，一支MSK23/60型，一支MSKC23/35型錨固劑，并對錨桿進行錨固。

2）錨桿錨固后在錨桿錨固段安裝一個讓壓器，然后再安裝JW型鋼帶，并采用螺母進行預緊，預緊力不得低于400 N·m。

2.2 安裝L型鋼棚

1）15201運輸順槽應力區圍巖安裝的L型鋼棚主要由頂梁、卡纜、棚腿、底座等部分組成，頂梁及棚腿主要由11號工字鋼制成，頂梁長度為1.5 m，頂梁中部焊制一個直徑為30 mm支護孔，棚腿長度為3.2 m，底座與棚腿之間采用螺栓連接固定。

2）L型鋼棚安裝在斷層側巷幫上，首先安裝底座，底座必須安裝在堅硬底板上，底座安裝后將棚腿與底座采用螺母進行固定。安裝鋼棚頂梁時，頂梁與巷幫垂直布置，頂梁與頂板之間采用一根長度為1.5 m錨桿進行固定，如圖1所示。

圖1 15201運輸順槽應力區圍巖支護優化施工斷面圖（未標單位：mm）

3）L型鋼棚安裝間距為1.0 m，鋼棚安裝時必須保證頂梁與頂板接觸嚴實，若頂板破碎、冒落導致頂梁與頂板接觸不嚴時，采用水泥背板或道木進行填充。

3 應用效果

截至2021年3月21日，15201運輸順槽已掘進至1 280 m，巷道已過大斷層應力影響區，對應力區圍巖支護優化后，通過后期掘進現場觀察發現，采取聯合支護技術后控制了應力區圍巖變形現象，實測頂板下沉量控制在0.14 m以下，兩幫收斂量控制在0.22 m以下，在后期掘進過程中未出現頂板冒落、煤壁片幫現象，取得了顯著應用效果。