掘進巷道破碎帶頂板支護的實踐

王金強

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 懷仁 038300）

1 概 述

同發東周窯井田位于大同煤田北西側，5402順槽巷位于山4#煤層四盤區，東側為四盤區膠帶、輔運、回風大巷，北側為8401工作面，其余為實煤區。上覆侏羅系煤層，不存在采空破壞區，巷道設計長度1102.293m。根據三維地震分析及相鄰2401巷道揭露情況，預計8402工作面兩條順槽掘進期間將遇3條正斷層，掘進至239m將遇落差為15m正斷層D1，預計影響工作面88m。

5402運巷無偽頂，巷道的直接頂主要以砂質泥巖為主，平均厚度約為6.78m，基本頂以粗砂巖為主，平均厚度為16.1m，基本頂與直接頂間夾雜厚度約為0.4m的煤層（不可采）。5402運巷由同煤集團朔州煤電宏宇公司（東周窯項目礦建項目部）采用EBZ-200型半煤巖掘進機施工。巷道目前施工到235m，據目前所提供的地質勘探資料判斷，5402運巷在掘進施工的過程當中可能揭露正斷層三條（D1、D2、D3）。在掘進巷道239m處將遇落差為15m正斷層D1，傾角為80°，影響較大；正斷層D2位于5402運巷的341m處，斷層落差為2m，傾角為80°；正斷層D3大致位于5401運巷的360m處，斷層落差為3m，傾角為75°，對巷道的施工影響較小，掘進機可直接施工通過。

2 5402運巷支護設計及問題分析

2.1 5402運巷頂板支護的初步設計

5402運巷頂板初步設計采用聯合支護，涉及到的支護材料主要有錨索、錨桿、W鋼帶、金屬網片等，具體如下：

（1）頂板支護錨桿采用長度為2.4m，直徑為22mm的螺紋鋼錨桿，每排支護5根，錨桿的間、排距為1.1×1.0m。

（2）頂板W鋼帶規格，長度為4.8m，寬度0.25m的“W”型鋼帶，鋼帶與頂板的錨固使用5根錨桿進行，鋼帶間距為1.0m。

（3）頂板的支護錨索規格，長度為6.0m，直徑為17.8mm預應力鋼絞線，每排施工三根錨索，錨索間排距為2.0×3.0m，錨索末端采用規格為0.3×0.3m方型鋼墊并配鎖具進行預緊。

2.2 頂板支護的初步設計在過斷層D1時存在問題

（1）由于D1斷層落差為15m，巷道在施工至距斷層帶10m處時通過對斷層D1附近頂板的觀測發現，礦壓顯現主要是集中于5402運巷頂板中部，由于頂板壓力的增大，巷道頂板的中間部位出現下沉、破碎現象，破碎的區域在頂板向上的2.2m范圍內且范圍仍在不斷擴大，而巷道初步設計中的頂板支護錨桿長度規格僅為2.4m，這樣使得錨桿的錨固端恰好位于破碎的巖體中，錨桿與W鋼帶的聯合支護無法形成組合梁作用，尤其對巷道的破碎頂板起不到應有的支護效果。

（2）隨著巷道施工的不斷延伸，當施工掘進至斷層帶處時，巖層的膠結穩定性降低，巷道大面積的破碎現象出現，若僅是采用W型鋼帶支護，隨著時間的推移，W型鋼帶甚至會出現嚴重的變形，支護的強度下降，對破碎的巷道頂板起不到長時間的有效支護。

（3）在巷道施工至斷層帶處時，離層現象極可能會在直接頂與基本頂間出現，而頂板支護的初步設計中的錨索長度為6.0m，錨索的錨固端恰好位于基本頂與直接頂之間，頂板一旦出現離層現象，所支護的錨索完全起不到預緊錨固的作用，失去支護效果，同時直徑為17.8mm的錨索的屈服強度也較低，在施工過斷層時如離層現象一旦出現則會使錨索被拉斷，造成頂板冒落。

3 斷層破碎帶頂板支護技術研究

通過研究，在5402運巷過斷層D1期間對頂板的支護進行優化，采取“錨桿桁架+π型鋼棚”聯合支護法對巷道破碎頂板進行加強支護與維護。

3.1 增加錨固范圍和錨固力

（1）巷道破碎頂板段的單錨索規格采用長度為8.3m，直徑為21.6mm預應力鋼絞線，縮短錨索排距為2.0m；同時每根錨索采用3支錨固劑（1支MSKC 23/80加長快速型、2支MSKC 23/35超快型）來減少錨索的錨固時間，從而提高錨固質量。

（2）對于錨桿的錨固與支護質量的提高，將原來設計中錨桿規格更換為：錨桿長度為3.2m，直徑為22mm的左旋無縱筋加長螺紋鋼錨桿，每根錨桿采用2支錨固劑（1支MSKC 23/35超快型、1支MSKC 23/80快速型）來提高支護效果。

3.2 錨桿桁架支護

在過斷層帶D1時，為了使施工巷道破碎頂板中部應力集中的現象減小，研究采用錨桿桁架支護，具體的施工方法如下：

（1）錨桿桁架支護組成材料：2根傾角錨桿，2根拉桿，1個拉緊器和若干鋼墊片。

（2）當巷道的施工掘進進入到斷層D1破碎的區段時，永久支護施工完后，在兩排相鄰的鋼帶中間在距巷幫1.0m處各施工一根長度為2.0m傾角（錨桿與巷道的頂板夾角為60°）錨桿。

（3）當施工完傾角錨桿后要及時進行錨固，錨桿錨固質量必須合格，錨桿錨固后，在兩根傾角錨桿的外露端再各安裝一根拉桿，兩根拉桿通過拉緊器連接。

（4）拉緊器的拉力要嚴格符合設計的要求，確保兩根傾角錨桿所產生傾向的合力能夠與巷道破碎頂板中部的集中應力相抵消，拉桿同時還必須能夠起到對破碎頂板支撐的作用，相鄰的在兩架錨桿桁架支護間的空隙用金屬墊片填塞嚴實，如圖1所示。

圖1 5402運巷頂板錨桿桁架支護斷面示意圖

3.3 π字型鋼棚支護

為使破碎巷道的頂板的穩定性進一步提高，在5402運巷應用錨桿桁架和改善了的支護參數的同時，再增設π字型鋼棚，π字型鋼棚間用工字鋼梁鋪設并用木背板背實。

（1）由于5402運巷寬度為5.0m，而傳統矩形鋼棚的頂梁承載力與π型鋼棚相比較差。π字型工字鋼棚主要是由2節棚腿、1節π字型頂梁、卡纜等組成。棚腿底端焊接一塊鋼板，規格為長×寬×厚=0.3×0.3×0.05m。

（2）當施工進入到巷道斷層的破碎區域時，人工在巷道兩幫底板處進行起底直到見到實體，施工棚腿基礎坑，起底規格為寬×深=0.35×0.3m，將棚腿埋入并用混凝土澆筑。

（3）安裝并固定好一組棚腿，在架設棚腿上方的π型頂梁時，用卡纜將頂梁與棚腿進行固定，鋼棚間距為1.0m，安裝完成后要保證頂梁與巷道頂板間留有0.15m間隙。

（4）架設完相鄰的三架π字型鋼棚后，用5根3.0m橫梁在鋼棚頂梁上方垂直π型頂梁，間距為1.0m，采用卡纜將橫梁與π字型頂梁固定。

（5）橫梁與巷道頂板的間隙用木背板垂直橫梁布置背實，木背板鋪設方式隨巷道延伸使π字型頂梁逐漸抬高，以保證π字型梁木背板可以嚴實的接觸到破碎巷道頂板。

（6）為保證所有鋼棚的穩定牢固，在所有相鄰的π字型工字鋼棚腿中間，分別用兩組拉桿使其連接為一體。

4 結語

在5402運巷過D1斷層施工期間，對破碎帶頂板進行支護優化，“錨桿桁架+π字型鋼棚”的聯合支護不僅阻止了巷道頂板的破碎范圍擴大，減小了巷道中部頂板在施工時應力集中的現象，還提高了巷道的穩定性，保證了頂板破碎巷道安全快速的施工通過，取得了較顯著的成效。