復雜條件下掘進巷道頂板支護優化設計

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦 山西 030200）

引言

在綜采技術取得快速發展的背景下，煤礦井下開采深度有所增加，遭遇的地質條件也更加復雜。受礦壓波動因素影響，容易發生巷道頂板垮塌問題，還要通過支護優化保證作業安全。因此，還應加強復雜條件下掘進巷道頂板支護優化設計研究，以便通過優化支護結構保證巷道掘進高效、安全，繼而使綜采技術水平得到進一步提升。

1.工程概況

1208巷位于二采區，東側為采空區，西部為采煤區，南部為采取邊界。按照東西走向進行巷道布置，巷道長1250m，斷面為矩形，寬和高分別為5.2m和3.5m。掘進煤層屬于下二疊統山西組3#，平均厚6m，傾角平均達到4°。從煤層條件來看，夾矸層較多，沿著地板掘進完成2.5m厚頂煤預留，掘進達552m。煤層不存在偽頂，基本頂主要為粗砂巖和粉砂巖，相對穩定，厚度平均6.9m。直接頂主要為炭質泥巖，厚度平均為2.2m，帶有脆性和易破碎特點。在掘進達到560m位置時，有正斷層出露，落差1.8m，傾角52°。

2.原支護方案缺陷

(1)支護方案

在巷道頂板支護方面，采用錨桿和錨索聯合支護方式，按照0.9m×1.0m間排距進行錨桿布置6根φ22mm×2400mm左螺旋紋高強錨桿，每個搭配一卷CK2340和Z2388型號樹脂錨固劑。錨索采用長5m、φ17.8mm預應力鋼絞線，按照梅花型布置，首排設置3根，保持1.8m間距，之后一排布置2根，間距相同，排距達到2m。外露部署使用長和寬均為0.3m的拱形鋼托盤進行固定，并使用與錨桿相同的錨固劑加強錨固處理。針對巷道兩幫，利用錨桿進行支護，每排布置3根φ22mm×2000mm左螺旋紋高強錨桿，間排距為1.0m，首根距離頂板保持0.5m距離。

(2)缺陷分析

從之前掘進作業情況來看，支護失效率達到21%，失效現象主要為頂板下沉、破碎，局部發生冒落情況。而斷層的出現，將導致煤巖層整體性被破壞，出現面膠結穩定性下降問題。在掘進過斷層帶時，上下盤煤巖層容易發生失穩問題，導致附近巖體同時受上覆巖層重力、構造應力和原巖應力等多重力作用，導致頂板破碎、局部冒頂等問題發生[1]。伴隨著掘進繼續，斷層帶應力持續增加，頂板表層因支護失效出現層狀破碎，并逐步向深處延伸，可能引發漏頂事故。在應力集中的情況下，兩幫也將受到剪切作用，與頂板肩角煤柱難以得到預留，將造成巷道呈現出尖狀型。對原方案缺陷進一步展開分析，可以發現采用長2.4m錨桿由于錨固段處于裂隙當中，難以與煤體保持穩定膠結。而每排完成6根錨桿的布置，并且每兩排設置5根錨索，將造成每米需要進行8.5個支護孔施工，將導致連續梁被破壞，引發嚴重巖體擾動破壞。受這一因素影響，裂隙發育將有所夾具，導致圍巖松動范圍擴大。由此可知，巷道在545-575m區域為構造應力破碎段，在原本支護方案失效率較高且存在明顯缺陷的情況下，掘進至該段容易出現頂板支護失穩問題。

3.頂板支護優化設計

(1)錨桿支護優化

為確保巷道掘進能夠順利通過應力破壞段，還要加強頂板支護設計，實現有關參數優化，以便形成穩定的支護結構。為使錨桿的懸吊作用得到充分發揮，在錨桿優化階段還應選用柔性錨桿對頂板進行支護。具體來講，就是采用長3.5m的鋼絞線進行錨桿制作，直徑達到22mm，按照每排5根，間距1.1m和排距1.5m的方式進行支護。在每根錨桿施工期間，還應配備3根錨固劑，確保錨桿能夠與巖體面保持垂直。針對同排錨桿，應在施工后利用長1.5m和寬0.3m的鋼帶對外露端進行加固，并搭配鋼方墊和鎖具進行預緊處理。鋼帶采用“L”型，需要在頂板和巷幫兩段分別布置孔徑30mm的圓孔，保持1.0m間距[2]。針對鋼帶拐角位置，需要完成30mm孔徑圓孔布置。巷幫位置鋼帶為“LW”型，長2m，利用長2m的φ20mm左旋無縱筋螺旋鋼錨索進行原有支護結構替代，并對鋼帶進行固定。將“L”型鋼帶安裝在肩角煤柱位置，需要與“LW”型鋼帶疊加。在施工期間，需要利用手持式鉆進進行錨固，錨桿外露長在10-30mm之間，預緊時扭矩至少達到200N·m。

(2)錨索支護優化

在錨索支護優化方面，還要完成組合錨索懸板結構設計。利用長8m的φ21.6mm高預應力錨索，搭配支護錨桿和長4.5m、寬1.2m、厚4mm鋼板加強頂板支護。在距離鋼板兩端0.25m的位置，需要完成φ25mm圓孔布置，并在兩邊布置22mm圓孔，在四周和中部設置25mm圓孔。對鋼板進行固定后，可以利用中間預留孔在頂板鉆孔，深度達到8m，完成MSKC23/40錨固劑填裝后，填裝兩支MSK23/80型錨固劑，然后進行錨索固定。按照每排2根，間排距3m進行布置，針對外露端還應采用長0.6m、寬0.35m“JW”型鋼梁進行加固。利用長和寬均為0.5m的鋼托板和鎖具預緊，確保應力至少達到36MPa。在施工期間，還應在一塊懸板施工完成后再進行下一塊施工，兩塊懸板之間保持0.25m間隙，并設置間距2.0m、孔徑60mm的卸壓孔，孔深為5m[3]。為加強聯鎖保護，還要利用長0.4m的φ30mm圓鋼托架加強懸板連接。在兩幫支護期間，還需要在鋼帶拐點位置利用φ17.8mm、長5m預應力錨索進行錨固，按照45°仰角進行結構布設，外露端利用長0.5m鋼梁進行處理。

(3)錨棚支護設計

考慮到破碎段存在應力集中的問題，除了對原本支護結構參數進行優化，還要增設錨棚加強頂部支護。采用φ30mm、長3m中空錨桿，按照每排3根、間距1.5m形式進行結構布設。在施工時，還要在兩側布置φ10mm圓孔共5個，與中部圓孔聯通，與側孔保持0.5m的間距。完成錨桿安裝后，需要在尾端布置注漿管，采用泵送方式注漿。采用硅酸鹽水泥，按照1:1.2比例進行注漿液配置，需要添加聚氨酯粘合劑加強注漿液粘合性。注漿時需要將壓力控制在1.0MPa左右，施工后利用膨脹水泥封堵錨桿端頭孔。在漿液充分凝固后，需要安裝長4.5m工字鋼梁，利用螺母預緊。采用卡纜在兩端對3.5m棚腿進行固定，保證結構穩固的同時，使頂梁能夠與頂板充分接觸。按照1.5m間距進行錨棚支護，還要對相鄰棚進行處理，在棚腿間設置兩組拉桿，保證結構整體穩定。注漿體和錨桿能夠形成完整結構，將不同層面裂紋串聯，有效避免或延緩巷道掘進過程中圍巖發生破裂現象，能夠使綜采作業期間頂板結構穩定性得到增強[4]。因此錨棚結構具有較高的抗壓強度，同時不容易發生變形，可以用于對復雜巷道的大變形頂板進行支護，因此可以用在應力集中巷道段的頂板支護上。

(4)桁架支護設計

破碎區由于承力結構特殊，一旦巷道下沉頂板中部應力最大，因此還要對中部進行桁架支護，使下沉問題得到有效控制。結合施工要求，還要采用縱向邁步式支護方案，利用φ17.8mm、長5m的錨索進行支護，并且搭配φ20mm、長1.8m的圓鋼托架和雙向張拉器形成穩定結構。在各組桁架中，共包含2根錨索和2根托架，設置一根張拉器。沿著巷道走向，需要按照3m排間距進行錨索施工，傾角控制在75°。在距離巷道左幫位置，可以進行首組桁架施工。完成錨索安裝后，針對外露端還要采用圓鋼托架進行處理，利用張拉器預緊。在距離巷道右幫1.5m位置，需要進行一組桁架安裝，保持2m的錨索間距。兩組結構可以按照邁步式形狀布置，直至掘進工作面過破碎段。采用錨索能夠使深處巖層得到固定，利用圓鋼托架能夠構成完整承載力，然后利用張拉器使錨索預拉力得到提升，繼而使結構對頂板支撐的可靠性得到增強。

(5)支護效果分析

對頂板和兩幫支護效果進行確認，還要在新掘進位置完成多個礦壓監測站的布置，對頂底板和兩幫收斂量實施不間斷監測。具體來講，需要每隔50m布置1組監測站，包含2個巷道表面位移監測儀，另外包含頂板離層、錨桿受力和錨索受力監測裝置各1個。通過對破碎段掘進期間礦壓進行觀測發現，頂板最大下沉量能夠達到10m，而兩幫收斂值最大能夠達到7mm，由此可見巷道保持良好的成型效果，采取的支護結構能夠滿足生產需要。此外，從錨桿和錨索受力情況來看，錨桿受力最大達到190kN，破斷力能夠達到350kN，錨索受力最大250kN，破斷力為607kN。整個過程中，錨桿和錨索等支護結構并未出現應力疊加問題，同時受力也未超出限值，由此可知圍巖應力得到了均勻分布。針對復雜的巷道條件，采用混合支護方式對支護結構進行優化，能夠使支護失效問題得到解決，同時也能使原本錨桿、錨索支護材料使用量有所減少，使頂板支護難題得到順利解決。經過優化后，支護效率提高16.9%，成本降低11.2%。在施工效率得以加快的情況下，能夠加快巷道掘進速度，在保證作業安全性的同時，提高施工經濟性，因此能夠為工程施工帶來可觀效益。

4.結論

針對復雜條件下掘進巷道支護問題，對原本錨桿和錨索支護結構進行優化的同時，可以通過適當增設錨棚和桁架支護措施提高頂板支護強度，使頂板和兩幫變形得到有效控制。從方案應用效果來看，能夠使復雜區域頂板穩定性得到保證，加快巷道掘進速度的同時，確保人員施工安全，因此能夠增強施工經濟性和可靠性。