掘進巷道應力區圍巖支護技術應用

孫軍權

（山西陽城陽泰集團小西煤業有限公司， 山西 晉城 048105）

1 小西煤礦3105 運輸順槽概況

山西陽城陽泰集團小西煤業有限公司3105 運輸順槽位于一盤區中部西側，南為3103 采空區，西為3105 通風聯絡巷，北為3107 備用工作面，東接一盤區軌道巷、一盤區輔助回風巷。3105 運輸順槽設計長度為1790 m，巷道設計寬度為4.5 m、高度為3.5 m，巷道掘進煤層為3 號，根據地面勘探鉆孔BK05、BK07、BK09、BK12、BK14 號資料及綜合柱狀圖，煤體結構簡單，預計煤層平均厚度為4.0 m，含夾矸1～2 層（0.15～0.4 m）。煤層走向北西、傾向南東，煤層結構簡單。3 號煤層直接頂板多為砂質泥巖，局部為粉砂質泥巖、泥巖或泥質粉砂巖，層位較穩定，一般厚約5.90 m，煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 3105 運輸順槽掘進的3 號煤層頂底板巖性

3105 運輸順槽采用綜合機械化掘進工藝，截至2020 年3 月巷道已掘進780 m，巷道掘進至775 m處揭露一條F3 斷層，斷層落差為1.9 m，傾角為45°，斷層侵入后破壞煤巖體整體穩定性，導致圍巖出現嚴重破碎現象。

2 巷道原頂板支護設計及問題分析

2.1 巷道原頂板支護設計

巷道原頂板支護設計中3105 運輸順槽頂板主要采用錨桿、錨索、金屬網聯合支護[1-3]，具體支護方案如下：

2.1.1 頂板錨桿

頂板采用桿體Φ20 mm 螺紋鋼錨桿，專用錨桿鋼材，長度為2.0 m，采用兩支樹脂錨固劑，一支規格為MSK2335，另一支規格為MSZ2360，錨固長度為0.95 m，每排布置5 根，布置間排距為1.0 m，錨桿外露端安裝一根長度為4.2 m 的M 型鋼帶。

2.1.2 頂板錨索

頂板錨索采用Φ17.8 mm×7300 mm 的預應力鋼絞線，采用三支樹脂藥卷加長錨固，一支規格為MSK2335，另兩支規格為MSZ2360。間排距為2000mm、2000 mm。每排布置3 根，錨索間距為1.6 m，排距為3.0 m。

2.2 原頂板支護主要存在的問題

2.2.1 支護強度低

3105 運輸順槽在F3 斷層期間，頂板巖體整體成破碎狀態，頂板無法形成穩定的承載梁結構，頂板往上3.0 m 范圍內成破碎狀態，而原頂板采用長度為2.0 m 錨桿進行支護，錨桿錨固端未穩定在堅硬穩定頂板上，導致錨桿錨固后錨固效果差，錨桿失效率高；而且頂板錨桿外露端安裝一根M 型鋼帶，該鋼帶寬度為0.15 m，支護截面積小，在應力作用下鋼帶很容易出現變形、斷裂現象[4]。

2.2.2 超前破壞現象嚴重

3105 運輸順槽掘進工序為巷道采用掘進機掘進，單茬掘進深度為1.0 m，巷道掘進后及時對工作面煤矸進行清理，對空頂處頂板進行支護，支護時間為1.5 h，而3105 運輸順槽受F3 斷層應力影響，工作面迎頭3 m 范圍內出現應力超前破壞現象，導致工作面掘進后在支護過程中迎頭煤壁出現片幫、垮落，導致迎頭空頂距加大，通過現場觀察頂板最大空頂距達2.7 m，導致空頂處頂板無法及時支護進而出現垮落現象。

3 應力破碎區支護技術

為了解決傳統錨桿在應力區支護時錨桿長度不足、錨固效果差等技術難題，進一步提高斷層應力區圍巖穩定性[5-6]，決定對3105 運輸順槽斷層應力區圍巖采取“注漿+JW 型錨索梁棚+超前管棚”聯合支護措施。

3.1 注漿加固

1）3105 運輸順槽掘進至780 m 處對工作面迎頭煤壁施工一排注漿鉆孔，鉆孔開口位置與頂板間距為1.2 m，鉆孔直徑為45 mm，鉆孔深度為4.0 m，每排布置4 個，鉆孔間距為1.2 m，具體如圖1 所示。

圖1 3105 運輸順槽應力區圍巖聯合支護示意圖（單位：mm）

2）注漿鉆孔施工完后及時清理鉆孔內煤屑，然后對鉆孔內安裝一根直徑為25 mm 注漿軟管，并對孔口處采用膨脹水泥進行封堵，最后將注漿軟管另一端與注漿泵連接。

3）以上所有工序完成后，開啟注漿泵進行注漿施工，注漿液采用聚氨酯，注漿時由煤壁中部向兩側依次注漿，注漿壓力先大后小，最終注漿壓力穩定在1.3～1.5 MPa。

3.2 JW 型錨索梁棚

由于3105 運輸順槽對應力區頂板初步設計采用工字鋼吊棚進行加強支護，但是由于工字鋼梁支護屬于線性支護，支護面積小，會對頂板產生二次破壞作用，所以掘進采用JW 型錨索梁棚支護[7-8]。

1）3105 運輸順槽從770 m 處對頂板施工JW 型錨索梁棚進行加強支護，梁棚支護排距為2.0 m，每架梁棚與巷道兩幫垂直布置，且施工在相鄰兩根鋼帶之間空隙頂板上。

2）3105 運輸順槽頂板安裝的JW 型錨索梁棚主要由JW 型鋼梁和3 根恒阻錨索組成，JW 型鋼梁長度為4.2 m、寬度為0.32 m，鋼梁上均勻布置3 個支護鉆孔，孔間距為1.5 m；每根恒阻錨索長度為4.5 m，直徑為21.8 mm。

3）首先采用錨索鉆機在頂板施工3 個恒阻錨索支護鉆孔，孔間距為1.5 m，鉆孔深度為4.3 m，鉆孔垂直頂板布置，鉆孔施工完后對鉆孔內填裝錨固劑及恒阻錨索并進行錨固，錨索錨固后在其外露端安裝JW 型鋼梁，最后采用鎖具進行預緊。

3.3 超前管棚

由于巷道受構造應力作用，巷道前方5 m 范圍內煤體出現破碎現象，導致巷道掘進期間煤壁片幫嚴重，空頂距達2.5 m，所以決定在工作面前方煤體采取超前管棚支護。

1）超前管棚支護樁主要由長度為4.0 m、直徑為40 mm 無縫中空鋼管制成，每排施工20 根超前管棚支護體，布置間距為0.2 m。

2）首先采用手持式鉆機在工作面迎頭施工一排超前支柱鉆孔，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔直徑為42mm、深度為3.5 m，鉆孔施工完后將超前管棚支護體插入鉆孔內。

3）超前管棚支護施工完后巷道繼續掘進，在掘進過程中將鋼帶安裝在支護體下方，當巷道掘進3.5 m后施工第二排超前支護體，相鄰兩排支護體交錯布置，直至巷道完全過斷層應力區。

4 結語

巷道掘進過程中受構造應力影響破壞了原巖穩定結構，導致圍巖出現裂隙現象，而傳統錨桿（索）支護時主要通過錨固作用達到對圍巖支護控制，在裂隙未驗證錨桿（索）的錨固效果差、錨固失效現象嚴重，達不到預期的支護目的，所以對應力區圍巖采取合理有效的支護技術，對巷道安全快速掘進起著重要作用。

通過實際應用效果來看，3105 運輸順槽應力區采取注漿、錨索棚及超前管棚支護后，巷道在后期掘進過程中有效控制了圍巖變形現象，頂板下沉量控制在0.14 m 以下，未出現嚴重破碎、垮落，大大提高了應力區圍巖穩定性，保證了巷道安全快速掘進，取得了顯著應用成效。