掘進(jìn)巷道過斷層頂板支護(hù)技術(shù)

韓 雨

（山西焦煤霍州煤電雪坪煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

1 三采區(qū)軌道巷概況

山西焦煤霍州煤電臨汾宏大雪坪煤業(yè)有限公司三采區(qū)軌道巷位于三采區(qū)中部，東部為四緩采區(qū)，南部為軌道運(yùn)輸大巷，西部為三采區(qū)皮帶巷、三采區(qū)回風(fēng)巷，北部為礦界。三采區(qū)軌道巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度1500 m，掘進(jìn)斷面3 800 mm×2 800 mm，為矩形斷面。從一采區(qū)軌道運(yùn)輸大巷距J28 號(hào)測(cè)點(diǎn)東12 m 處開口，機(jī)窩部分65 m，其余先以方位角24°、K2 灰?guī)r底板為巷道頂板掘進(jìn)260 m，再以方位角320°、沿11 號(hào)煤層底板掘進(jìn)1 175 m，通過尾部聯(lián)巷與三采區(qū)回風(fēng)巷貫通。三采區(qū)軌道巷掘進(jìn)面地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層傾角平緩，煤層為太原組9 號(hào)+10 號(hào)+11 號(hào)合并煤層，煤層平均厚度為6.6 m，平均傾角為5°，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 三采區(qū)軌道巷頂?shù)装鍘r性匯總

2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及問題分析

2.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

三采區(qū)軌道巷采用綜合機(jī)械化回采工藝[1-3]，巷道頂板錨桿采用“五排平行眼”布置，間距為850 mm、排距為1 000 mm，打角度錨桿（75°）；安裝W 型鋼帶支護(hù)，間距1 000 mm；打兩排錨索，間距為1 500 mm、排距為2 000 mm，并鋪設(shè)金屬菱形網(wǎng)。幫錨桿采用“三排五花眼”布置，間排距均為1 000 mm，并掛金屬菱形網(wǎng)。

三采區(qū)軌道巷掘進(jìn)至1 210 m 處揭露一條F5 正斷層，斷層落差為2.2 m，傾角為57°，巷道掘進(jìn)至1 200 m 處巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，頂板出現(xiàn)局部破碎，隨著巷道掘進(jìn)延伸，當(dāng)巷道掘進(jìn)至1 207 m處位于巷道中部出現(xiàn)局部冒漏，頂板錨桿失效現(xiàn)象嚴(yán)重，頂板下沉量達(dá)0.45 m，嚴(yán)重威脅著巷道安全掘進(jìn)。

2.2 問題分析

1）圍巖破碎嚴(yán)重：三采區(qū)軌道巷掘進(jìn)的煤層為9號(hào)、10 號(hào)、11 號(hào)合并煤層，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，留頂煤厚度為3.8 m。受F5 斷層影響，頂煤穩(wěn)定性降低，煤層內(nèi)形成裂隙帶，降低了頂煤承載強(qiáng)度，錨桿（索）支護(hù)時(shí)無法形成連續(xù)穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致頂板支護(hù)后頂煤出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。

2）支護(hù)失效率高：巷道在構(gòu)造應(yīng)力作用頂煤內(nèi)形成裂隙帶，隨著裂隙帶數(shù)量增多，煤體內(nèi)產(chǎn)生圍巖松動(dòng)圈，松動(dòng)圈隨著應(yīng)力加大及持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)松動(dòng)圈擴(kuò)展到錨桿（索）錨固段時(shí)，錨桿（索）錨固穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致錨桿（索）支護(hù)失效現(xiàn)象。

3）應(yīng)力垂直破壞作用：由于構(gòu)造應(yīng)力垂直破壞作用，導(dǎo)致頂煤出現(xiàn)下沉、斷裂，而原頂板錨桿（索）支護(hù)時(shí)雖然可形成支護(hù)梁作用，但是支護(hù)梁無法削弱頂板應(yīng)力，導(dǎo)致頂板在持續(xù)應(yīng)力作用下，頂板錨桿（索）出現(xiàn)“疲勞”支護(hù)現(xiàn)象，起不到有效的支護(hù)作用。

4）支護(hù)強(qiáng)度不足：原頂板錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m、直徑為22 mm，錨桿采用端頭錨固方式，錨固長(zhǎng)度為0.35 m，而頂煤厚度為3.8 m，頂煤在構(gòu)造應(yīng)力作用下出現(xiàn)離層現(xiàn)象，頂煤離層區(qū)位于3.0～3.8 m 范圍內(nèi)，而錨桿支護(hù)長(zhǎng)度有效，對(duì)該區(qū)域無法進(jìn)行有效支護(hù)。

3 支護(hù)優(yōu)化措施

3.1 永久支護(hù)優(yōu)化

為了提高原頂板錨桿支護(hù)效果，決定對(duì)原頂板錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，頂煤錨桿采用“三二三”布置方式，并配套安裝JW 型鋼帶。

1）頂板每排同樣布置5 根錨桿（索），其中第一排布置3 根錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m、直徑為22 mm，錨桿采用1 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)布置方式，2 號(hào)、4 號(hào)布置錨索，錨索長(zhǎng)度為5.0 m、直徑為21.8 mm。

2）相鄰兩排錨桿（索）布置排距為1.0 m，第二排同樣布置5 根錨桿（索），其中1 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)布置錨索，2 號(hào)、4 號(hào)布置錨桿，依次類推錨桿采用“三二三”布置方式。

3）頂板采用的JW 型鋼帶長(zhǎng)度為3.8 m、寬度為0.32 m，鋼帶上均勻布置5 個(gè)支護(hù)孔，孔間距為0.85 m，鋼帶布置排距為1.0 m。

3.2 桁架錨索支護(hù)

為了消除頂板應(yīng)力對(duì)頂板及錨桿剪切作用，決定對(duì)頂板施工桁架錨索支護(hù)，以削弱垂直應(yīng)力對(duì)頂板的破壞作用。

3.2.1 支護(hù)原理

桁架錨索支護(hù)是指在巷道頂板施工兩根斜角錨索，錨索角度按頂板應(yīng)力大小進(jìn)行確定，斜角錨索施工完后，對(duì)錨索外露端安裝張拉器，并對(duì)兩根錨索施加相向的張拉力，在張拉過程中兩根錨索對(duì)錨索鉆孔壁施加斜向上的作用力，作用力的合理垂直向上，可抵消或削弱頂板向下的垂直應(yīng)力。具體支護(hù)原理如圖1 所示。

圖1 桁架錨索支護(hù)原理示意圖

3.2.2 施工工藝

1）首先采用錨索鉆機(jī)在頂板施工兩根錨索支護(hù)孔，錨索支護(hù)孔布置間距為1.5 m，支護(hù)孔斜角為70°，鉆孔對(duì)稱布置，鉆孔深度4.5 m。錨索鉆孔施工完后，對(duì)鉆孔內(nèi)錨注兩根長(zhǎng)度為4.8 m、直徑為21.8 mm 的錨索。

2）斜角錨索安裝后對(duì)錨索外露端安裝兩根長(zhǎng)度為0.8 m、直徑為20 mm 的圓鋼拉桿，拉桿端頭安裝一根張拉器，并對(duì)兩根錨索張拉預(yù)緊，桁架錨索支護(hù)排距為2.0 m。

3.3 注漿錨桿支護(hù)

為了提高應(yīng)力區(qū)頂板巖體穩(wěn)定性，防止頂板松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，決定對(duì)頂板施工注漿錨桿支護(hù)。

1）三采區(qū)軌道巷頂板施工注漿錨桿長(zhǎng)度為3.0 m、直徑為30 mm，注漿錨桿采用無縫鋼管焊制而成，鋼管上均勻布置3 排注漿射孔，孔徑為10 mm，孔間距為0.3 m，每排布置7 個(gè)。

2）注漿錨桿施工完后，在注漿錨桿內(nèi)插入一根直徑為15 mm 的注漿軟管，注漿軟管另一端與專用注漿泵連接，然后進(jìn)行注漿施工，注漿液采用水泥與水玻璃混合漿液，注漿壓力為2.0 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

截至2021 年7 月21 日三采區(qū)軌道巷已掘進(jìn)到位，對(duì)三采區(qū)軌道巷斷層區(qū)頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化后，通過對(duì)圍巖安裝YH-300 型頂板離層儀后，通過7 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在0～3 d 范圍內(nèi)受頂板塑性影響，頂板出現(xiàn)局部離層，離層量為0.13 m；在3～7 d 范圍內(nèi)頂板離層量逐漸穩(wěn)定，最終頂板下沉量控制在0.17 m以內(nèi)。同時(shí)采取聯(lián)合支護(hù)措施后，巷道頂板錨桿支護(hù)失效現(xiàn)象得到了明顯改善，頂板支護(hù)失效率降至5%以下，取得了顯著應(yīng)用成效。