軟巖巷道破碎頂板支護設計優化

靳志勇

（山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司，山西 晉中 032600）

軟巖巷道在掘進過程中，受構造應力、巷道開挖應力等影響，巷道頂板出現破碎現象，若不及時采取合理有效的支護措施，不僅對破碎頂板維護效果差，而且很容易發生安全事故。軟巖巷道破碎頂板支護前，必須合理分析巷道頂板圍巖松動圈范圍、破碎巖體膠結穩定性情況以及巖體的單軸抗壓強度等，根據實際情況采取有效的支護措施，保證破碎頂板穩定性，防止頂板下沉、垮落事故發生。以五里堠煤礦1104 運輸順槽為例，對巷道破碎頂板原支護設計主要存在的問題進行剖析，并對原支護進行合理優化。

1 概述

山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司1104 運輸順槽位于井田北翼，巷道東部為1103 運輸順槽，間隔煤柱寬度為25m，南部為上組煤集中大巷，西部為1104 工作面回采煤柱，北部為實體煤。

1104 運輸順槽從上組煤集中膠帶運輸下山開口施工，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5×3.5m，設計長度為970m。巷道掘進煤層為二疊紀3#煤層，平均厚度為1.13m，施工巷道沿煤層頂板平行掘進。3#煤層無偽頂，煤層之上為泥巖直接頂，厚度2.2m，泥巖之上為細砂巖、砂質泥巖，泥巖基本頂，厚度19.65m。煤層之下為直接底砂質泥巖，厚為5.36m。

2 原支護設計及問題分析

2.1 巷道原頂板支護設計

1104 運輸順槽初步支護設計中，巷道頂板采用錨桿、錨索、金屬網聯合支護：

（1）巷道頂板錨桿長度為2.0m，直徑為20mm，錨桿采用端頭加長錨固方式，頂板每排布置6 根，錨桿垂直頂板布置，錨桿間距為0.8m，排距為0.9m。錨桿外露端采用規格為長×寬=0.3×0.2m 鋼方墊及螺母進行預緊，預緊力為150N?m。

（2） 頂 板 錨 索 長 度 為4.0m， 直 徑 為17.8mm，每排布置兩根，錨索間距為2.5m，排距為2.7m，錨索采用端頭加長錨固方式。錨索外露端采用一根長度為1.0m 工字鋼梁及鎖具進行預緊。

（3）頂板金屬網采用長度為5.0m、寬度為1.2m棱形經緯網，網格規格為長×寬=50×50mm。巷道每掘進1.0m 頂板鋪設一卷金屬網，相鄰兩卷金屬網搭接寬度為0.3m。

1104 運輸順槽已掘進340m，掘進前期頂板下沉量大，在巷道構造區域頂板最大下沉量達0.47m，巷道頂板破碎嚴重、成型效果差，局部頂板支護失效現象嚴重，錨桿失效率達13%。巷道掘進后需對破碎頂板進行補強支護，不僅加大了巷道支護勞動強度，而且增加了巷道支護成本費用。

2.2 問題分析

（1）1104 運輸順槽直接頂厚度為2.2m，直接頂與基本頂之間膠結性差，在巷道開挖應力影響下，直接頂出現離層現象。而原頂板支護設計中頂板錨桿長度為2.0m，錨桿端頭錨固端位于直接頂與基本頂之間，當直接頂出現離層時，很容易造成錨桿端頭錨固失效，從而降低了錨桿錨固效果。

（2）原頂板支護設計中，頂板錨桿采用的點性布置方式。當頂板出現破碎時，單錨桿無法對頂板起到全斷面支護作用，相鄰兩根錨桿之間聯鎖支護作用性差。同時原頂板錨索外露端采用工字鋼梁進行預緊，當頂板出現下沉時，鋼梁支護斷面小很容易對頂板產生切頂破壞。

（3）原頂板支護設計中，頂板錨桿間距為0.9m，每排布置6 根，頂板支護相對密集，不僅加大了支護作業強度，增加了頂板支護成本費用，而且密集支護鉆孔在施工時對頂板很容易出現擾動破壞，加大了頂板破壞力度。

3 支護優化

為了提高1104 運輸順槽頂板穩定性，防止巷道掘進期間頂板出現破碎、冒落現象，決定對原頂板支護設計進行優化。

3.1 頂板破碎時支護優化

（1）大錨桿施工。優化后原頂板錨桿變更為大錨桿支護，大錨桿采用長度為3.0m、直徑為22mm螺紋鋼錨桿，錨桿錨固長度為0.7m，錨桿錨固端位于基本頂堅硬、穩定巖體內。巷道頂板每排布置5根，錨桿間距為1.0m，排距為1.2m，其中中部三根錨桿垂直頂板布置，端頭兩根錨桿以85°夾角布置。如圖1 所示。

（2）安裝JW 型鋼帶。為了提高錨桿聯鎖支護作用，同一排錨桿外露端安裝一根“JW”型鋼帶。鋼帶長度為4.2m，寬度為0.32m，鋼帶與錨桿配套使用，并采用螺母將鋼帶、錨桿進行預緊。

（3）安裝恒阻錨索。優化后將原頂板普通錨索變更為恒阻錨索，恒阻錨索長度為6.0m，每排錨索數量由原來2 根變更為3 根，錨索布置間距為1.8m，錨索排距為3.0m。同一排錨索外露端安裝一根長度為4.0m、寬度為0.5m 圓鋼梯形梁，并采用鎖具進行預緊。

圖1 優化后1104 運輸順槽頂板支護示意圖

3.2 頂板冒落時的支護

當巷道掘進期間頂板出現冒落時，采用傳統錨桿、錨索支護無法滿足頂板支護需求，必須采取特殊加強支護措施，可采用注漿支護、施工人工假頂、架棚等。

（1）注漿支護。由于巷道頂板冒落后，形成不規則高冒區，不僅破壞了頂板承載結構，降低了頂板穩定性，而且在高冒區內進行支護時難度大、效果差。傳統支護對高冒區頂板支護效果差，所以必須采用注漿技術對高冒區松散圍巖進行加固，用馬麗散、聚氨酯等化學材料進行注漿加固。

（2）施工人工假頂。當巷道頂板冒落后形成高冒區高度大于1.0m 時，為了防止冒落區出現有害氣體積聚現象，控制冒落區范圍進一步擴大，需對冒落區施工人工假頂進行封堵。為了降低人工假頂成本費用，采用錨索吊棚配合半圓木進行搭接，并對假頂間隙處采用膨脹劑進行填充。如圖2 所示。

圖2 巷道高冒區人工假頂施工斷面、剖面示意圖

（3）架設鋼棚。為提高高冒區人工假頂穩定性，防止頂板集中應力對人工假頂產生破壞作用，人工假頂施工完后，可在高冒區前后架設密集工字鋼棚。巷道常用矩形鋼棚、拱形鋼棚、梯形鋼棚。

4 結 語

（1）通過對原頂板支護方案的優化，不僅減少了巷道頂板支護數量，降低了支護成本費用及勞 動作業強度，而且提高了頂板穩定性，軟巖頂板下沉、破碎現象得到有效控制，在后期掘進過程中未出現頂板大面積破碎現象。

（2）1104 運輸順槽在掘進至525m、711m 處分別揭露了一條正斷層F2、F3，平均斷層落差為0.9m，平均傾角為52°。受構造應力影響，在斷層處頂板出現冒落現象，其中F2 斷層處冒落區冒落高度為1.2m，F3 斷層處冒落區冒落高度為1.5m。通過對冒落區及時采取注漿、施工人工假頂、架棚等加強支護后，加強了冒落區圍巖穩定性，冒落范圍得到控制，保證了巷道安全快速掘進。