大斷面巷道破碎頂板支護優化

李志東

（山西煤炭進出口集團左云長春興煤業有限公司，山西 大同 037100）

煤礦巷道支護技術是煤礦開采中的關鍵技術，保持圍巖穩定，控制巷道變形和破壞是實現礦山安全、高效生產的必要條件[1-4]，隨著礦井向深度和廣度發展，巷道支護問題表現得越來越突出。目前對于工作面巷道的頂板支護主要采用全錨桿支護，存在的缺陷是錨桿錨固長度較小，桿體破斷力較小，抗沖擊性能差[5-7]，支護不佳，另外，所使用的鋼帶強度和剛度小，容易撕裂和拉斷，護頂效果差；而對于巷道的兩幫支護，也采用全錨桿支護，且缺乏金屬網和鋼帶，很容易造成兩幫位移[8]，導致頂板支護失效或減弱。以長春興煤礦601運輸順槽為研究對象，對巷道掘進期間支護失效機理進行合理分析，并對其進行優化改進。

1 巷道簡介

山西煤炭進出口集團左云長春興煤業有限公司601 運輸順槽位于井田南盤區，巷道東西走向布置，巷道東部為南盤區大巷，北部為601工作面，南部為井田邊界，西部為礦井西部礦界及山煤集團韓家洼煤礦。

601運輸順槽掘進長度為1700m，巷道設計為矩形斷面，巷道掘進寬度為5.4m，高度為3.5m，巷道沿22#煤層底板進行掘進，煤層平均厚度為9.5m，平均傾角為2°，煤層結構情況如下：

平均煤層厚度：9.5m；煤層結構：含夾矸3～4層；煤層傾角：2°；開采煤層：22#；煤種：氣煤：穩定程度；較穩定；煤的容重：1.4t/m3；煤層硬度：2～3；可采指數：1；變異系數：11.57%。煤層情況描述：工作面布置于石炭系太原組中下部22#煤層中，22#煤層結構復雜，厚度較穩定，根據工作面鉆孔Z906得知，22#層上距最近16-2#煤層約99.15m，下距最近25-1#煤層約12.7m，工作面煤層總厚12.47m，儲量計算厚度9.5m，含3～4層夾矸。煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均-2°。呈一單斜構造。

601運輸順槽采用綜合機械化掘進工藝，截止目前巷道已掘進至870m 處，巷道掘進至855m 處揭露一條逆斷層，斷層落差為2.4m，傾角為42°，受斷層影響巷道掘進至855m處圍巖出現嚴重破碎現象，巷道頂板支護失效率高。

2 巷道原支護技術及支護失效機理

2.1 巷道原支護設計

601運輸順槽頂板初步采用錨桿、錨索、金屬網、W型鋼帶進行聯合支護，具體支護方案如下：

（1）錨桿支護：601運輸順槽頂板采用螺紋鋼錨桿，錨桿桿體總長度為2.5m，桿體直徑為22mm，錨桿兩側為無縱筋結構，端頭為螺紋結構，螺紋長度為100mm，錨桿采用加長錨固方式[9]，每根錨桿采用兩支錨固劑進行錨固，錨桿錨固長度為0.95m；頂板每排布置6 根錨桿，錨桿布置間距為1.0m，布置排距為1.0m。

（2）錨索支護：頂板錨索采用長度為6.5m，直徑為17.8mm 鋼絞線，錨索采用端頭錨固方式，每根錨索采用3支錨固劑進行錨固，錨固長度為1.55m，每排布置3根錨索，錨索間距×排距=2.0m×3.0m。

（3）W 型鋼帶支護：頂板采用的W 型鋼帶長度為5.2m，鋼帶寬度為0.25m，鋼帶與頂板錨桿配合支護，鋼帶布置時與巷道兩幫垂直。

（4）金屬網支護：鋼帶、錨桿支護前在頂板鋪設一層金屬網，金屬網采用棱形網格且采用8#鉛絲編制的，金屬網長度為7.0m，寬度為2.0m，金屬網鋪設時網延伸至兩幫長度不得低于0.5m，相鄰兩卷網采用疊加布置，疊加寬度為0.2m。

2.2 支護失效機理

根據現場觀察發現，巷道在揭露斷層時頂板破碎現象，頂板錨桿錨固效果差，錨桿失效率達13%，綜合分析頂板支護失效機理主要表現在以下幾方面：巷道在揭露斷層時，由于受構造應力影響，巷道頂板圍巖穩定性差，特別是601運輸順槽煤厚9.5m，巷道預留頂煤厚度為6.0m，斷層侵入煤層后破壞了頂煤穩定性，頂煤在斷層作用下出現裂隙帶[10]，導致頂煤出現松動圈，而錨桿支護時利用錨固劑進行錨固，然后施加預應力傳遞至穩定巖體內，但是當圍巖破碎后錨桿錨固質量差，造成錨桿出現失效現象。

3 巷道頂板支護優化

3.1 支護優化設計

頂板支護優化巷道頂板布置鋼筋網、頂鋼帶以及每根鋼帶上間隔布置的頂錨桿，和在巷道兩側的幫錨桿，每根頂鋼帶上增設頂錨索，頂錨桿位于頂鋼帶的最中間兩排，相鄰頂鋼帶上的頂錨桿呈交錯排列，總體上呈“Z”字形排列。為了進一步加強巷道兩幫的支護，防止兩幫位移導致頂板支護失效，本實用新型還包含增設在巷道工作面兩側的鋼筋網及幫鋼帶，相距一定距離的幫鋼帶上增設至少一個幫錨索。

鋪設在巷道頂板上的鋼筋網、頂鋼帶以及每根鋼帶上間隔布置的頂錨桿，間排距為900mm×900mm，頂錨桿規格為?20mm×2400mm 螺紋鋼樹脂錨桿，還包含設置在巷道兩側的幫錨桿，間排距為900mm×900mm，板規格為?18mm×2000mm 螺紋鋼樹脂錨桿，每根頂鋼帶上增設頂錨索，頂錨索規格為?17.8mm×5200mm 鋼絞線，頂錨桿位于頂鋼帶的最中間兩排，相鄰頂鋼帶上的頂錨桿呈交錯排列，總體上呈“Z”字形排列，頂鋼帶為12#槽鋼。如圖1所示，同時還包含增設在巷道工作面兩側的鋼筋網及幫鋼帶，相距一定距離的幫鋼帶上增設一個幫錨索，幫錨索規格為?17.8mm×3500mm鋼絞線。

圖1 601運輸順槽支護優化后平面示意圖

3.2 支護優化后

（1）601 運輸順槽斷層區頂板支護優化后，減少同一排錨桿數量，增加錨索數量，將原來的單錨索更換為錨桿、錨索聯合同排支護，從而實現了錨桿（索）組合梁（拱）支護和懸吊支護同步施工，通過錨索將錨桿支護區域巖體進行懸吊，控制錨桿支護區域巖體下沉量，從而提高錨桿支護質量。

（2）通過對兩幫增加鋼筋網、錨索構件，控制斷層區巷幫煤體出現破碎現象，提高兩幫巖體穩定性，采用巷道頂板和兩幫同時加固的原則，加強兩幫支護，大大增強支護效果，避免了因兩幫失穩導致巷道頂板穩定性下降、頂板斷裂破碎現象。

（3）由于原頂板采用的W 型鋼帶厚度小且支護強度低，在應力區支護時鋼帶極易出現變形現象，不利于工作面后期回采時回收，而頂板支護優化后頂板W 型鋼帶更換為槽鋼，不僅可回收重復利用，而且改變了原有鋼帶強度不足的現狀。

3.3 實際應用效果分析

2021年8月17日早班對601運輸順槽頂板支護進行優化，截止8 月25 日巷道已掘進至925m，巷道已過斷層應力區，通過對斷層區每隔20m 安裝一臺YH-300 型頂板離層儀，共計安裝兩臺，通過10d 現場觀察發現，支護優化后，應力區頂板下沉、破碎現象明顯降低，在0～5d 范圍內圍巖出現塑性變形，頂板支護未起到有效的耦合支護作用，頂板出現小量下沉現象，隨著支護作用體現，頂板下沉量逐漸減小，在第8d頂板停止下沉，頂板總下沉量為0.14m。

4 結束語

巷道掘進期間圍巖控制是重要一項環節，通過對圍巖采取合理有效的支護技術，從而降低圍巖變形、破碎現象，防止頂板事故，保證巷道安全掘進，但是在實際巷道掘進過程中，由于受地質構造、煤巖層結構以及支護技術等影響，采用傳統的單錨桿（索）支護時，支護單一、支護效果差，達不到預期支護效果；長春興煤礦601運輸掘進過程中針對錨桿支護失效機理，對原支護進行優化改進后，在不增加支護成本費用得同時，大大提高了支護質量，簡化了支護工序，滿足大斷面巷道破碎圍巖支護作用，具有一定的推廣意義。