軟巖巷道圍巖破碎機理及控制技術

＊李建明 鄧桂波 韓雨

（1.山西焦煤霍州煤電臨汾宏大有限責任公司 山西 041000 2.山西焦煤霍州煤電萬杰煤業有限公司 山西 041000 3.山西焦煤霍州煤電雪坪煤業有限公司 山西 041000）

雪坪煤礦三采區軌道巷位于三采區中部，東部二采區采空區，南部為軌道運輸大巷，西部為三采區皮帶巷、三采區回風巷，北部為礦界。

三采區軌道巷布置在9#+10#+11# 煤層中，水平標高920～986 m；三采區軌道巷從一采區軌道運輸大巷距J28#測點東12 m 處開口，機窩部分65 m，其余先以方位角24°以K2 灰巖底板為巷道頂板掘進260 m，再以方位角320°、沿11#煤層底板掘進1175 m，通過尾部聯巷與三采區回風巷貫通。設計掘進長度1500 m。道掘進斷面為3800 mm×2800 mm，掘進斷面10.64 m2，凈斷面為3600 mm×2700 mm，凈斷面9.72 m2。

三采區軌道巷開口處實際揭露情況：三采區軌道巷掘進面地質構造簡單，地層傾角平緩，煤層為太原組9#+10#+11#煤層。9#煤層位于太原組下段頂部，K2 灰巖之下，上距2 號煤層74.08～82.17 m，平均80 m，煤層厚度0.86～1.20 m，平均1 m，結構簡單，不含夾矸，為全區穩定可采煤層，煤層頂板為K2 石灰巖，底板為泥巖。10#+11#煤層位于太原組下段，上距9#煤層0.75～1.2 m，平均1.0 m，煤層厚度5.06～5.97 m，平均5.6 m，結構較簡單，含0～3夾矸，為全區穩定可采煤層。煤層頂板為石灰巖，底板為泥巖、炭質泥巖。煤層硬度系數（f）2～2.5。

1.巷道原支護設計

(1)永久支護設計

三采區軌道巷支護依據同煤宏大公司雪坪煤礦生產技術部設計的《三采區軌道巷工作面施工圖》執行。

①前325 m 段巷道：頂板錨桿采用三排平行眼布置，間排距1000 mm；護幫錨桿采用“三排五花眼”布置，間排距1000 mm，并掛金屬菱形網。②后1175 m段巷道：頂板錨桿采用“三排平行眼”布置，間距為850 mm，排距為1000 mm，打角度錨桿（75°）；安裝W 鋼帶支護，間距1 m；打兩排錨索，間距為1500 mm，排距為2000 mm；并鋪設金屬菱形網；護幫錨桿采用“三排五花眼”布置，間排距1000 mm，并掛金屬菱形網。③錨索支護選用一支MSCK2360 和一支MSK2360 樹脂錨固劑，錨固長度不小于1200 mm；頂錨桿支護選用一支MSCK2360 樹脂錨固劑，錨固長度不小于900 mm；幫錨桿支護選用一支MSCK2360 樹脂錨固劑，錨固長度不小于600 mm。

(2)臨時支護方式

①巷道掘進施工時采用機載前探梁臨時支護，嚴禁空頂作業，當機載前探梁不能使用時或者使用機載前探梁達不到臨時支護要求時采用絲杠式前探梁臨時支護。特殊情況下采用液壓單體柱作為臨時強化支護裝置。②桿支護最小空頂距300 mm，最大空頂距1300 mm；錨索支護最小空頂距300 mm，最大空頂距2300 mm。③在兩幫煤層較穩定時，幫部支護滯后距離不大于5 m。在地質變化帶、圍巖及煤層破碎或有片幫危險時，永久支護必須緊跟迎頭，且幫部支護必須在頂板支護施工完成后立即施工，嚴禁滯后。

2.巷道掘進現狀及問題分析

(1)巷道掘進現狀

截止2022 年2 月13 日三盤區軌道巷已掘進462 m，巷道掘進至450 m 時巷道兩幫及頂板出現應力顯現現象，巷道掘進至452 m 處時兩幫出現破碎，局部出現幫煤柱垮落，在巷道458 m 處時出現冒漏，冒漏區沿巷道走向方向寬度為1.4 m，沿巷幫方向長度為2.1 m，冒漏區鏤空高度為0.9 m，當巷道掘進至460 m處時巷道圍巖變形嚴重，實測巷道掘進前期頂板最大下沉量為0.38 m，兩幫收斂量為0.57 m，最大底鼓量為0.44 m。

(2)巷道圍巖破碎機理

①采空區影響：三采區軌道巷東部為二采區采空區，設計預留保安煤柱寬度為30 m，由于二采區工作面與2014 年回采結束且密閉，采空區側煤柱垮落嚴重，通過對軌道巷455 m 處巷幫煤柱施工鉆孔發現，保安煤柱最小寬度為17 m，且位于450～500 m 段，在采空區殘余應力作用，保安煤柱破碎嚴重，煤柱內形成圍巖“松動圈”[1-4]，造成煤柱承載強度降低，巷幫支護效果差、失效率高。

②斷層影響：三采區軌道掘進在467 m、482 m、499 m 及511 m 處共計揭露4 條正斷層，斷層編號分別為F3、F4、F5、F6，其中F3斷層落差為1.2 m，傾角為49°，F4斷層落差為1.5 m，傾角為57°，F5斷層落差為0.9 m，傾角為50°，F6斷層落差為1.4 m，傾角為52°，在巷道450～520 m 段形成斷層區，巷道掘進至450 m 處時進入斷層應力區，受斷層影響斷層區圍巖破碎嚴重[5-7]。

③支護強度低：三采區軌道巷原頂板及幫部主要采用錨桿（索）支護，而錨桿（索）支護時先對圍巖施工支護鉆孔，然后安裝錨固劑并將桿體錨固在穩定層位中，最后對桿體施加預應力，從而起到對圍巖支護作用；但是對于應力區圍巖由于煤體破碎，錨桿支護時錨固效果差，同時在對桿體施加預應力時無法有效傳遞至穩定層位中，造成支護組合梁（拱）失效[8]。

④煤體承載強度低：三采區軌道巷沿9#+10#+11#復合煤層底板進行掘進，煤層結構復雜，含多層夾矸，破壞了煤體連續穩定結構[9]，在應力作用下煤體易出現離層、垮落現象。

3.應力區圍巖支護優化

(1)JW型錨索吊棚施工

由于原巷道頂板施工的鋼帶為W 型鋼帶，鋼帶寬度為0.25 m，厚度為3.75 mm，鋼帶支護后在應力作用下很容易出現撕帶現象，鋼帶承載強度低，所以決定對應力區頂板施工JW 型錨索吊棚。

①JW 型錨索吊棚：JW 型錨索吊棚梁長度為3.5 m，寬度為0.35 m，為了防止梁預應時對頂板產生切頂作用，吊棚梁橫截面設置成JW 型結構，在梁上布置3 個支護長孔，長度為0.1 m，寬度為0.05 m，長孔布置間距為1.5 m，鋼梁屈服強度為455 MPa；恒阻錨索長度為8.3 m，直徑為21.8 mm，如圖1 所示。

圖1 JW 型錨索吊棚結構示意圖

②支護工藝：JW 型錨索吊棚布置排距排距為1.0 m，施工在450～520 m 段頂板上。A.首先對頂板施工3 根錨索支護孔，孔間距為1.5 m，直徑為28 mm，支護孔深度為8.3 m；B.每個支護孔孔底內依次填充SK23/60 和MSK23/35 型錨固劑[10]，錨固劑安裝后采用液壓油鉆安裝錨索，錨索安裝時攪拌時間不得低于480 s，錨固時間不得低于180 s；C.錨索安裝后錨索外露長度控制在0.15～0.25 m 范圍內，然后在其下方安裝JW 型鋼梁并采用鎖具進行預緊，預緊力為470 kN。

(2)桁架錨索支護

①支護原理：傳統錨桿（索）支護主要通過錨固作用和預應作用實現支護作用，但是大應力圍巖傳統錨桿（索）支護后在應力剪切作用支護體出現應力“疲勞”現象，導致支護體出現斷裂[11]；而桁架錨索支護指的是對頂板斜角錨索通過張拉器施加水平張拉力，通過張拉器張拉后，2 根錨索在張拉器張拉作用下錨索與孔壁巖體擠壓產生傾斜向上作用力，產生垂直和水平分力，垂直分力可以有效削弱頂板垂直向下的應力作用[12]，支護原理，如圖2 所示。

圖2 桁架錨索支護原理示意圖

②支護結構：每架桁架錨索支護布置2 根長度為5.3 m，直徑為21.8 mm 恒阻錨索，錨索采用斜角對稱布置方式，在錨索外露端水平安裝2 根拉桿，并采用長度為0.5 m 的張拉器進行張拉，最大張拉力為400 kN，每根拉桿長度為1.2 m，直徑為20 mm，采用圓鋼焊制而成。

③支護工藝：A.桁架錨索布置在450～520 m 段頂板上，布置排距為2.0 m，首先對頂板施工2 根錨索支護鉆孔，鉆孔布置間距為2.0 m，鉆孔布置水平角為75°，且對稱布置；B.對稱錨索施工后在錨索下方依次安裝桁架拉桿、鎖具，在拉桿兩端安裝1 個張拉器，并對錨索進行水力張拉。

(3)密集工字鋼棚支護

①工字鋼棚結構：A.工字鋼棚各部件尺寸規格根據設計圖紙焊制而成，主要由棚腿、底座、卡纜、頂梁等部分組成。B.棚腿長度為2.8 m，頂梁長度為3.5 m，棚腿底座采用長度為0.5 m，寬度為0.3 m，厚度為5 mm 鋼板焊制而成，拉桿長度為1.0 m。

②支護工序：A.先在應力區段巷道底板進行起底施工，確保鋼棚底座安裝在平整、堅固底板上，為了防止移位，每個底座采用2 根長度為1.5 m，直徑為18 mm 反麻花地錨進行固定；B.安裝棚腿時棚腿下方螺栓對接口與底座對接，并采用4 根螺栓連接固定，棚腿與頂梁對插式固定，并采用卡纜進行預緊，通過調節棚腿長度使頂梁安裝后與頂板接觸面積不得低于80%；C.鋼棚前后布置排距為1.0 m，鋼棚安裝后相鄰棚腿之間安裝拉桿，防止鋼棚傾倒，實現聯控作用。

(4)實際應用效果分析

2022 年3 月4 日三采區軌道巷已掘進至530 m，應力區巷道掘進后在480 m 處頂板安裝頂板及幫部位移監測儀，對圍巖進行15 d 現場監測發現。

①應力區頂板支護后7 d 范圍內頂板及兩幫圍巖變形相對嚴重，頂板最大下沉量為0.11 m，兩幫最大收斂量為0.16 m，在7～12 d 范圍內頂板及兩幫變形量逐漸減小，在12 d 后圍巖不再發生變化，在第13 d、14 d、15 d 頂板下沉量分別為164 mm、167 mm、170 mm，兩幫收斂量為264 mm、266 mm、270 mm。

②聯合支護后巷道頂板及幫圍巖應力破壞現象得到了明顯控制，巷道掘進速度由原來的1.8 m/d 提高至5.4 m/d。

③通過對應力區巷道圍巖采取聯合支護后，巷道頂板及幫部錨桿支護失效率由原來的27% 降低至3.4%，巷道修復工程量大大減小，預計可減少巷道修復工程費用及支護費用達24.8 萬元。

4.結論

通過對雪坪煤礦三采區軌道巷掘進期間圍巖破碎機理進行合理分析后，并對頂板支護進行合理優化，通過實際應用效果來看，支護優化后有效控制了應力區圍巖破碎、下沉、斷裂及兩幫收斂等現象，巷道成型率由原來的73.2%提高至98.7%，保證了巷道安全快速掘進，同時減少了頂板及兩幫支護失效率，降低了巷道修復工程量及維修費用，取得了顯著應用成效。