軟巖煤層應力區巷道圍巖控制措施

郭鑫煜

（山西煤炭運銷集團盛泰煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 概述

盛泰煤礦東翼膠帶大巷位于井田二采區東部，巷道開口位于西翼膠帶大巷與集中膠帶大巷相交處東幫。工作面北部32m為東翼軌道大巷，工作面南部25m為東翼回風大巷，西部為集中膠帶大巷。

東翼膠帶大巷掘進煤層為15#煤，煤層平均厚度為1.23m，平均傾角為4°。15#煤層內生裂隙發育，性脆易碎，局部夾1～2層0.1～0.3m炭質泥巖夾矸，煤巖體普氏系數f=1.8。15#煤層直接頂主要以泥巖與砂巖互層為主，平均厚度為3.5m，直接頂穩定性差，易破碎；基本頂主要以K2灰巖為主，平均厚度為11.2m。根據東翼膠帶大巷水文地質資料顯示，東翼膠帶大巷在掘進過程中共計揭露4條斷層（F2、F3、F4、F5），分別位于110m、395m、580m和1102m處。其中F2、F5為逆斷層，斷層平均落差為0.7m，平均傾角為37°，斷層對巷道掘進影響小；F3、F4為正斷層，F3斷層落差為1.3m，平均傾角為52°，F4斷層落差為1.5m，平均傾角為57°，兩條正斷層對巷道影響較大。

東翼膠帶大巷設計長度為1353m，設計矩形斷面，斷面規格為寬×高=5.0×3.5m，巷道沿15#層頂板掘進，施工巷道為半煤巖巷，巖體厚度為2.3m。東翼膠帶大巷采用綜合機械化掘進施工工藝，已掘進565m。巷道掘進期間頂板、巷幫主要采用傳統錨桿、錨索、鋼帶進行支護。巷道在過F2斷層期間頂板出現局部破碎現象，未出現頂板下沉、冒落現象，原支護設計可滿足頂板支護要求。當巷道掘進至380m處時受F3斷層應力影響，巷道頂板破碎，巷幫變形嚴重，原支護設計維護頂板及巷幫困難。巷道在揭露F3斷層期間頂板最大下沉量達0.48m，巷幫移近量達0.52m，底鼓量達0.33m。

2 巷道圍巖變形原因分析

（1）地質構造影響。受斷層影響，斷層上下盤巖體出現空間上位移，破壞了煤巖體整體穩定性，斷層附近煤巖體內裂隙發育，形成應力卸壓空間。巷道在掘進過程中受圍巖應力及構造應力集中作用，使得斷層附近巖體產生卸壓張拉破壞，導致裂隙巖體破壞嚴重。

（2）圍巖承載結構穩定性差。東翼膠帶大巷寬度為5.0m，巷道寬度大，巷道掘進后頂板形成的承載梁結構穩定性差，在應力作用下承載梁中部出現下沉、斷裂現象。同時承載梁兩端對兩側煤柱產生拉剪破壞，造成兩幫與頂板之間肩角煤柱垮落嚴重，導致兩幫煤柱支撐強度降低，巷幫出現片幫、收縮現象，底板出現鼓起現象。

（3）圍巖穩定性差。東翼膠帶大巷沿15#煤層頂板掘進，直接頂以混合巖層為主，巖體單軸抗壓強度不足27MPa，巖體穩定性差，在集中應力破壞作用下巷道頂板破壞嚴重。同時，施工巷道以半煤巖巷掘進，巷幫上部為煤體，下部為巖體，煤巖交接處結構不穩定，在應力作用下出現擠壓破壞，巷幫破壞嚴重。

（4）原支護質量差。東翼膠帶大巷在掘進前期圍巖主要采用錨桿、錨索支護，錨索（桿）網支護時支護體屈服強度有限，在大應力破壞作用下錨桿、錨索出現嚴重變形現象，導致支護失效嚴重，降低了松動圍巖支護效果。

3 巷道圍巖聯合控制措施

為了保證東翼膠帶大巷過F4斷層期間圍巖穩定性，提高巷道過斷層掘進速度，保證巷道施工安全，巷道掘進至565m處時決定對巷道圍巖采取聯合控制措施。

3.1 頂板下沉控制措施

為了加強頂板承載梁承載強度，削弱集中應力對頂板破壞作用，提高應力區巷道頂板穩定性，防止頂板破碎現象，決定對頂板采取“L型鋼帶+桁架錨索+矩形鋼棚”聯合支護措施。

3.1.1 L型鋼帶支護

（1）對應力區巷道頂板及幫部施工“L”型鋼帶主要目的是加強巷道肩角煤柱支護，降低剪切應力區肩角煤柱破壞作用，從而提高巷道成型率，保證兩幫煤柱具有足夠的支撐作用強度。

（2）東翼膠帶大巷頂板安裝L型鋼帶長邊長度為1.0m，短邊長度為0.5m，鋼帶寬度為0.3m，長邊與短邊構成“L”型，在鋼帶兩邊以及拐角處焊制三個孔徑為25mm圓孔。

（3）“L”型鋼帶長邊布置在頂板上，短邊布置在巷幫上，鋼帶布置間距為1.0m。在鋼帶兩邊上分別施工一根長度為2.0m、直徑為22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿將其與頂板及幫部固定，在拐角處施工一根長度為5.0m、直徑為21.6mm肩角錨索，錨索與巷幫及頂板夾角為45°。如圖1所示。

3.1.2 桁架錨索支護

（1）為了實現桁架錨索支護既能夠削弱集中應力，又能大斷面支護頂板的目的，采用桁架錨索支護主要由兩根長度為4.0m、直徑為21.6mm恒阻錨索、兩根長度為1.4m、寬度為0.15m槽鋼以及一個高強度張拉彈簧等部分組成，槽鋼兩端各焊制一個直徑為30mm圓孔。

（2）首先在相鄰兩根鋼帶之間施工兩個錨索鉆孔，鉆孔間距為3.0m，鉆孔與頂板夾角為60°。鉆孔施工完后對鉆孔內錨注兩根恒阻錨索，錨索外露長度控制在0.2～0.3m范圍內。

（3）錨索安裝后在錨索外露端安裝兩根槽鋼，槽鋼平面與頂板接觸，并采用鎖具進行預緊。在兩根槽鋼另一端采用高強度張拉彈簧進行預緊，預緊后保證兩根槽鋼具有足夠的水平張力。桁架錨索支護排距為2.0m。

3.1.3 矩形鋼棚支護

（1）鋼棚架設間距為1.5m，鋼棚棚腿及頂梁主要由11#工字鋼梁制成，頂梁與棚腿之間采用U型卡固定，鋼棚架設高度為3.4m，相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用四組圓鋼拉桿進行相互固定。

（2）巷道應力區共需架設20架鋼棚，所有鋼棚架設完成后，在鋼棚頂梁上密集鋪設長度為4.0m槽鋼，鋪設完成后保證槽鋼與頂板接觸嚴實。

圖1 應力區巷道聯合支護斷面示意圖

3.2 巷幫圍巖變形控制措施

為了解決傳統巷幫單錨桿點性支護斷面小、聯鎖支護作用低等技術不足，決定對F4斷層應力區巷道兩幫采取施工邁步式JW型鋼帶進行維護。

（1）為了滿足單茬巷道掘進巷幫支護要求，“JW”型鋼帶長度為1.5m，鋼帶寬度為0.35m，鋼帶上焊制兩個直徑為25mm圓孔，孔間距為1.0m。巷幫錨桿采用長度為2.0m、直徑為22mm讓壓螺旋錨桿，最大讓壓距離為0.3m。

（2）“JW”型鋼帶沿巷道走向布置，第一排鋼帶施工在距頂板0.8m處，同一排相鄰兩根鋼帶間距為1.0m，相鄰兩排鋼帶排距為1.0m，且第二排鋼帶與一排鋼帶邁步式布置，如圖2所示，依次類推，第三排與第二排邁步式布置。

圖2 應力區巷道幫部邁步式“JW”型鋼帶平面布置圖

4 應用效果

截至2019年3月東翼膠帶大巷已掘進到位。過F4斷層期間對巷道圍巖采取聯合控制措施后，施工巷道頂板破碎得到有效控制，頂板最大下沉量控制在0.14m以下，兩幫未出現片幫現象，兩幫移近量不足0.32m，在巷道允許耦合變形范圍內。同時肩角煤柱維護效果好，保證了巷道成型率，未出現底鼓現象，巷道掘進速率提高至9.2m/d。