掘進巷道破碎區安全管理技術措施研究

高劉奇

（山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業有限公司，山西 晉城 048100）

巷道在掘進過程中破壞了原巖應力狀態，導致巷道開挖后巷道圍巖應力大，局部出現破碎、變形現象，在圍巖內形成松動圈。當巷道過地質構造時，圍巖松動圈范圍大，所以巷道掘進支護主要作用是對圍巖松動圈的控制。合理有效的支護設計，不僅降低了巷道支護成本費用，而且能夠起到預期支護效果，降低巷道變形現象，保證巷道成型率。巷道在掘進期間出現頂板破碎、下沉現象時，必須合理分析圍巖破碎機理，并根據實際情況采取合理有效的支護措施。

1 概述

山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業有限公司3108運輸巷位于礦井北部一采區，巷道設計長度為650m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5×4.0m，巷道沿3#煤層頂板平行掘進，煤層平均厚度為3.7m。

3108 運輸巷采用綜合機械化掘進施工工藝，巷道初步支護設計中頂板采用錨桿、M 型鋼帶、錨索聯合支護。頂板錨桿采用長度為2.0m、直徑為20mm圓鋼錨桿，每排布置5根，錨桿間排距為1.0m；M 型鋼帶長度為4.2m，每根鋼帶采用5 根錨桿進行固定；錨索采用長度為5.0m、直徑為17.8mm 預應力鋼絞線，每排布置兩根，錨索間距為2.0m，排距為4.0m。截至2018 年8 月21 日巷道已掘進至440m，巷道掘進至435m 處頂板出現局部破碎現象，隨著不斷延伸，巷道在435～440m 范圍內，頂板破碎加劇，頂板下沉、兩幫變形現象嚴重，局部頂板出現冒落現象。

2 頂板破碎機理

（1）掘進應力影響。巷道在掘進過程中破壞了原巖應力平衡狀態，巷道開挖后應力重新分配，導致巷道頂板受應力剪切破壞嚴重，巷道支護后頂板在一定時間范圍內出現蠕動變形現象，形成圍巖松動圈，從而降低了頂板支護強度，而且在圍巖不穩定互層處出現下沉、離層現象。

（2）地質構造影響。通過巷道掘進地質資料顯示，3108 運輸巷430～470m 處北部25m 處含有一條大正斷層F3，落差為12m，平均傾角為52°。受斷層應力影響，斷層附近煤巖體結構破壞，煤巖體穩定性降低，在掘進應力及構造應力的集中破壞作用下，巷道頂板出現破碎現象。

（3）支護設計不合理。原巷道頂板錨桿主要采用圓鋼錨桿，錨桿在錨固時桿體與錨固劑擠壓面積小，無法使錨固劑充分攪拌，導致錨固質量差；直徑為20mm 圓鋼錨桿屈服強度為122MPa，在高應力作用下易斷裂；原頂板采用的M 型鋼帶寬度為0.15m，厚度為2.8mm，該鋼帶對頂板支護斷面小，在頂板蠕動變形下鋼帶變形嚴重且出現斷裂現象，從而導致頂板支護強度不足現象。

（4）頂板穩定性差。3108 運輸巷無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖及粉砂巖混合巖層為主，平均厚度為2.7m，巖石普氏系數f ＜3.0。在集中應力作用下頂板穩定性差，無法形成完整、穩定的承載梁，從而出現頂板破碎現象。

3 破碎頂板安全管理技術措施

通過鉆孔探測以及現場資料分析可得，巷道破碎區預計長度為45m。為了保證巷道后期掘進安全，四候煤礦決定對巷道破碎區頂板支護進行優化，采取“鋪設鋼筋網+安裝JW 型鋼帶+柔模澆筑”聯合支護措施。

3.1 鋪設鋼筋網

（1）為了解決頂板來壓時傳統經緯鉛絲網耐壓強度低，出現變形、斷裂等現象，決定在頂板破碎區采用鋼筋網護頂。鋼筋網主要由直徑為5mm 圓鋼縱橫交錯編制而成，鋼筋網網格為80×80mm，鋼筋網規格為長×寬=2.5×1.2m。

（2）巷道每掘進1.0m 后及時對頂板安裝兩片鋼筋網，相鄰兩片鋼筋網搭接寬度為0.2m，鋼筋網采用鋼帶及錨桿進行固定，每排鋼帶施工在相鄰兩排鋼筋網搭接處。

（3）為了防止頂板來壓時對同一排兩片鋼筋網搭接處產生撕裂破壞，巷道每掘進2.0m 后在相鄰兩排鋼帶之間兩片鋼筋網連接處施工一根長度為5.0m 錨索，并在錨索外露端安裝一根長度為0.6m“JW”型鋼梁，如圖1 所示。

圖1 優化后3108 運輸巷頂板破碎區支護平面示意圖

3.2 安裝JW 型鋼帶

（1）為提高頂板破碎區支護強度，降低支護失效率，決定對原頂板鋼帶、錨桿支護參數進行優化。頂板采用“JW”型鋼帶代替傳統“M”型鋼帶，鋼帶長度為4.2m，寬度為0.38m，厚度為4mm。該鋼帶具有支護強度高、不易變形、支護斷面大、切頂破壞不明顯等優點，可用于大應力變形巷道中。

（2）頂板每排錨桿布置數量不變，將原來頂板圓鋼錨桿更換為長度為2.5m、直徑為22mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。該錨桿屈服強度為186MPa，錨桿上鑲嵌左旋絲紋從而可以保證錨固劑攪拌充分。

（3）左旋無縱筋螺紋鋼錨桿與“JW”型鋼帶配套使用，在錨桿外露端安裝一塊長度為0.3m、寬度為0.1m 讓壓拱形鋼墊，拱形高度為7mm，通過安裝拱形墊片可以實現錨桿與頂板讓壓作用。

（4）為了提高錨索支護效果，將原頂板錨索排距縮短為2.0m，錨索間距為3.0m，且與壓網錨索采用“一.二.一”布置方式，在同一排錨索外露端安裝一根長度為3.0m、寬度為0.18m 槽鋼。

3.3 柔模澆筑

由于3108 運輸巷服務年限為1.2a，巷道服務年限長，對頂板破碎區僅采用支護體進行加固后在后期回采過程中，受采動影響很容易再次發生頂板破碎、冒落現象，所以決定對破碎區采用柔模澆筑技術人工施工次生頂板。

（1）首先在頂板破碎區下方架設矩形工字鋼棚，鋼棚主要由棚腿、頂梁、卡纜等部分組成。兩根棚腿長度為3.7m，頂梁長度為4.5m，棚腿與巷幫采用錨桿進行固定，鋼棚架設間距為1.5m，鋼棚架設后頂梁與頂板保持間距為0.3m。

（2）相鄰三架鋼棚架設完成后，在鋼棚上方走向鋪設木板。木板長度為3.0m，寬度為0.2m，厚度為5mm。木板鋪設后在其上方依次鋪設金屬網、風筒布，并在首尾兩架鋼棚處支設盒板。如圖2所示。

圖2 優化后3108 運輸巷頂板破碎區支護斷面示意圖

（3）支護完成后對支護空間注入混凝土，混凝土中水泥、沙子、石子配比為1:2:2，水泥采用強度為42.5R 的硅酸鹽水泥。第一組柔模澆筑完成后依次進行第二組柔模澆筑，依次類推直至巷道完全過應力破碎區。

4 結論

（1）與傳統M 型鋼帶相比，JW 型鋼帶支護斷面大，剛度強，不易變形，對破碎、離層頂板起到有效支護作用，解決了傳統鋼帶支護斷面小、易斷裂且對頂板產生切頂破壞等技術難題。

（2）優化后頂板采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿以及讓壓拱形墊片，不僅提高了錨桿承壓強度及錨桿錨固效果，而且通過讓壓拱形墊片可實現錨桿讓壓作用，提高錨桿與變形圍巖耦合支護作用，降低了錨桿失效現象。

（3）通過架設鋼棚以及柔模澆筑人工施工次生頂板，形成頂板承載梁，進一步提高了破碎區頂板穩定性，防止了破碎頂板出現下沉、斷裂、冒落等現象。

（4）截至2018 年8 月28 日3108 運輸巷已完全通過頂板破碎區。通過現場觀察發現，對巷道破碎區頂板支護優化后，控制了頂板蠕動變形速率，頂板下沉量控制在0.14m 以下，頂板未發生斷裂、冒落現象，巷道掘進速率提高至6.7m/d，保證了巷道安全快速掘進。