掘進巷道應力區支護技術

盧 義， 張安慎

（1.山西王家嶺煤業有限公司， 山西 忻州 036600；2.晉能控股山西科學技術研究院有限公司， 山西 太原 030006）

1 18105 工作面概況

18105 工作面為王家嶺煤業第3 個回采工作面，東部為已回采的18103 采空區，西部為待采的18107實體煤。工作面采用“兩進一回”布置，膠帶和輔運順槽間凈煤柱為30 m，輔運順槽留下復用，作為18107工作面回風順槽。

18105 輔運順槽與18105 膠帶順槽間留30 m 煤柱，18105 輔運順槽沿煤層底板掘進，掘進寬度5.5 m，掘進高度4.2 m（鋪底0.2 m），掘進面積23.1 m2，采用錨桿錨索支護。巷道掘進煤層為8 號煤層，煤厚6.5～8.60 m，煤層傾角6°，采煤方法為綜采放頂煤，采高3.5 m，放高4 m 左右。煤層絕大部分含2～3 層夾矸。煤層上方偽頂厚0～0.5 m，為碳質泥巖；偽頂上方為泥巖直接頂，厚度2～3 m。直接頂上方為厚層完整砂巖老頂，厚度超過20 m。煤層屬自燃煤層，煤塵有爆炸危險性[1-2]。

2 巷道支護現狀

2.1 原支護設計

1）頂板采用型號為25MnSi 高強度左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.4 m、直徑為22 mm，每排布置7 根，錨桿間距、排距為0.8 m、1.0 m，同一排錨桿外露端安裝一根Φ16 mm 圓鋼加工而成的鋼筋梯梁，長度為5.2 m，寬度為150 mm，鋼筋梯梁上布置7 個錨桿支護孔，且安裝在頂網下方。

2）頂板錨索采用19 股高強度鋼絞線，鋼絞線長度為8.3 m、直徑為22 mm，錨索錨固長度為1.5 m，頂板每排布置3 根錨索，錨索間距為2.0 m、排距為3.0 m，錨索外露端安裝一塊鋼號不低于Q235 穹形托盤。

3）網片采用Φ6 mm 圓鋼加工而成，網格100 mm×100 mm，搭接100 mm，網片連接方式采用14 號鐵絲聯結，雙絲雙扣，綁扎間距200 mm。

4）幫錨索采用Φ22 mm×6 300 mm 高強度錨索，19 股鋼絞線，僅布置在非回采幫側，錨索排距1 600 mm，每排1 根，布置在錨桿排中間，不得占用錨桿位置。距掘進底板2 200 mm，與巷道表面垂直[3]。

2.2 巷道掘進現狀

18105 輔運順槽掘進地質條件比較復雜，巷道東部為18103 采空區，西部為18107 實煤區，而根據物探顯示，18105 輔運順槽900～1 200 m 段西部存在兩條陷落柱，間距為27 m，陷落柱對巷道影響長度預計為175 m，受采空區以及集中應力影響，巷道在掘進期間圍巖穩定性差，采用錨桿（索）支護時圍巖控制效果差。

自2020 年1 月底開始，18105 輔運順槽900～1 100 m段開始出現變形，以底鼓為主，至3 月底底板硬化塊翹起最高有1 m。從起底后兩幫鼓出底板巖層看，實際底鼓量在500 mm 左右，4 月初起底后再未出現底鼓。巷寬最窄處5 m 左右。頂板有下沉，有10 根左右錨索出現鎖具下滑，18105 輔運順槽變形段頂板離層狀況見表1。

表1 18105 輔運順槽變形段頂板離層狀況

由表1 可見，深部離層遠大于淺部離層，巷道變形主要發生在錨桿錨固區上方。同樣錨桿錨索受力監測能很好驗證這點。850 m 和950 m 兩處錨索受力仍未穩定，900 m 和1 000 m 錨索受力基本穩定，1 050 m和1 100 m 兩處錨索受力超過測力計量程400 kN。錨桿受力均維持在100 kN 左右。

2.3 巷道變形原因分析

1）巷道支護效果差：原巷道頂板主要采用錨桿（索）支護，而受集中應力影響，巷道頂板出現斷裂破碎，頂板裂隙發育，頂板采用錨桿（索）支護時主要通過施工鉆孔，利用錨固劑實現錨桿（索）錨固作用，當頂板出現破碎后，支護鉆孔孔壁出現裂紋，鉆孔壁不完整，導致錨固劑攪拌后錨固劑無法穩定黏接在孔壁巖體上，導致錨桿（索）錨固失效現象，當頂板出現下沉后錨桿（索）很容易出現破斷。

2）集中應力影響：由于巷道受東部采空區殘余應力以及南部陷落柱構應力等集中應力影響，巷道圍巖出現嚴重失穩現象，主要表現為頂板下沉、斷裂以及兩幫收縮等。

3 巷道應力區加強支護技術

為了提高18105 輔運順槽900～1 200 m 段應力區頂板整體穩定性，在不破壞原永久支護的前提下，決定對圍巖采取“注漿錨索+JW 型錨索鋼棚+L 型鋼帶”聯合加強支護技術。

3.1 注漿錨索支護

1）支護原理：注漿錨索支護屬于注漿支護的一種，但是傳統注漿支護工藝主要對注漿區施工鉆孔，然后安裝注漿管，采用注漿泵進行高壓注漿施工，該方法注漿時存在以下幾方面缺陷：頂板破碎嚴重采用單一注漿支護施工時，注漿孔施工難度大、注漿效果差；傳統注漿施工時頂板布置注漿孔數量多，受鉆孔擾動破壞影響，頂板破碎力度加??；而注漿錨索支護主要對頂板先安裝注漿錨索，實現對注漿區不穩定圍巖初步進行控制，防止下沉，然后對注漿錨索進行注漿施工，即實現了對圍巖進行注漿加固作用，又實現了錨索的全錨支護作用，該支護技術具有支護工序簡單、支護質量好等優點[4]。

2）注漿錨索結構：注漿錨索長度為4.5 m、直徑為30 mm，錨索中部為中空狀，注漿錨索主要由托盤、錨索體、止漿塞、剛性注漿管、柔性注漿管、金屬膨環、主出漿孔、輔助出漿孔以及楔頭芯桿等部分組成，如圖1 所示。

圖1 中空注漿錨索結構示意圖

3）支護工藝：注漿錨索代替傳統預應力錨索，每排布置3 根，注漿錨索布置間距為2.0 m，注漿錨索錨注后對外露端安裝一塊拱形托盤；注漿錨索安裝后在其中部安裝注漿軟管，并在錨索端頭安裝止漿塞，將注漿軟管另一端與注漿泵連接，然后進行注漿施工。

3.2 JW 型錨索棚支護

1）注漿錨索施工完后對頂板施工JW 型錨索棚進行補強支護，JW 型鋼棚主要由JW 型鋼梁、恒阻錨索、鎖具等部分組成；其中JW 型鋼梁長度為5.0 m，鋼梁寬度為0.35 m，厚度為5 mm，鋼梁橫截面成“JW”型，如圖2 所示。每根鋼梁配套3 根長度為6.0 m、直徑為22 mm 的恒阻錨索，錨索間距為2.0 m。

圖2 JW 型錨索棚剖面示意圖

2）首先在頂板施工三個錨索支護孔，孔間距為2.0 m，錨索鉆孔深度為6.0 m、直徑為25 mm，錨索施工完后在其外露端安裝JW 型鋼梁，并采用鎖具進行預緊；JW 型錨索棚布置排距為3.0 m。

3.3 L 型鋼帶支護

由于傳統護幫支護無法對巷道肩角煤柱進行有效支護，導致肩角煤柱很容易出現垮落，所以決定對巷幫與頂板之間施工L 型鋼帶。

1）18105 輔運順槽施工的L 型鋼帶短邊長度為0.6 m、長邊長度為1.0 m，短邊及長邊中部各焊制一個直徑為25 mm 支護孔，L 型鋼帶寬度為0.28 m。鋼帶長邊安裝在巷幫上，短邊安裝在頂板上。

2）首先在頂板及巷幫處各施工一個錨桿支護孔，其中頂板孔距巷幫間距為0.3 m，巷幫孔距頂板間距為0.5 m，頂板及巷幫分別采用兩根長度為1.5 m、直徑為20 mm 錨桿進行固定。

4 結語

18105 輔運順槽應力區圍巖采取聯合支護技術后，對應力區及兩幫安裝圍巖變形監測系統，通過10 d 現場觀察發現，采取兩個支護技術后無法實現完全圍巖變形控制的目的，但是圍巖整體變形量大大減小，實測頂板下沉量為0.15 m，兩幫收斂量為0.24 m，下沉速度大大降低，保證了巷道掘進安全，取得了顯著應用成效。