掘進(jìn)巷道破碎頂板支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

孫軍權(quán)

（山西陽城陽泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048105）

巷道掘進(jìn)期間受斷層、陷落柱、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造影響，破壞巷道圍巖穩(wěn)定性及力學(xué)性質(zhì)，在構(gòu)造應(yīng)力及巷道開挖應(yīng)力作用下，巷道過構(gòu)造應(yīng)力區(qū)時(shí)，巷道圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在頂板破碎冒落、巷幫片幫等。其中頂板破碎冒落對(duì)巷道掘進(jìn)影響最大，由于頂板破碎區(qū)巖體穩(wěn)定性低、承載能力小，并形成不同深度的圍巖松動(dòng)圈[1]，導(dǎo)致破碎區(qū)頂板采用錨桿、錨索支護(hù)效果差，頂板控制難度大。本文以小西煤礦3106 巷為例，對(duì)巷道掘進(jìn)期間過斷層破碎區(qū)時(shí)頂板破碎機(jī)理進(jìn)行分析，并提出了合理有效的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，力求保證巷道安全快速過破碎區(qū)。

1 工程概述

山西陽城陽泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司3106 巷位于礦井一盤區(qū)東側(cè)，巷道西部為盤區(qū)大巷，南部為3106 回采區(qū)域，北部為實(shí)煤區(qū)，掘進(jìn)工作面對(duì)應(yīng)地面范圍內(nèi)無村莊，無公（鐵）路。地面標(biāo)高為+1 152～+1 250 m，井下標(biāo)高+520～+510 m。

3106 巷從一盤區(qū)運(yùn)輸大巷開口施工，巷道沿3#煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)煤層厚度為4.13 m，平均傾角為4°，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面規(guī)格，巷道設(shè)計(jì)長度為2 300 m，設(shè)計(jì)寬度為4.5 m，設(shè)計(jì)高度為4.0 m。3106 巷直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主平均厚度為4.2 m，巖體視密度為3 411 kg/m3，抗壓強(qiáng)度24 MPa，抗拉強(qiáng)度1.1 MPa，屬半硬巖石；老頂主要以細(xì)粒砂巖為主，平均厚度為11.2 m，2 629 kg/m3，抗壓強(qiáng)度51.8 MPa，抗拉強(qiáng)度3.6 MPa，屬堅(jiān)硬巖石。

2 巷道掘進(jìn)地質(zhì)現(xiàn)狀及問題分析

2.1 掘進(jìn)地質(zhì)條件

3106 巷地質(zhì)條件相對(duì)簡單，主要以斷層構(gòu)造為主。根據(jù) 《山西陽城陽泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司3106 巷掘進(jìn)地質(zhì)勘探報(bào)告》顯示，3106 巷掘進(jìn)期間共計(jì)揭露3 條正斷層，分別位于210 m、440 m、800 m處。其中210 m、440 m處揭露的斷層最大落差為0.9 m，平均傾角為48°，對(duì)巷道掘進(jìn)影響??；位于800 m處F3斷層落差為1.7 m，平均傾角為56°，斷層與巷道斜交，夾角為67°，該斷層對(duì)巷道影響較大，預(yù)計(jì)影響巷道掘進(jìn)長度為60 m （770～830 m段），形成斷層破碎區(qū)。

2.2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

3106 巷主要采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，巷道頂板主要采用W型鋼帶、棱形金屬網(wǎng)、錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，截止目前巷道已掘進(jìn)787 m。

3106 巷掘進(jìn)至772 m處時(shí)，巷道頂板位于兩幫肩角煤柱預(yù)留困難，出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，隨著巷道掘進(jìn)碎區(qū)域向巷道頂板中部延伸，當(dāng)巷道掘進(jìn)至785 m 處時(shí)，巷道頂板破碎嚴(yán)重，且伴隨著巷道上覆巖層下沉、離層現(xiàn)象，最大下沉量為440mm ，巷道兩幫肩角煤柱垮落現(xiàn)象嚴(yán)重，兩幫收斂量達(dá)820mm。

2.3 主要問題分析

根據(jù)現(xiàn)場觀察以及總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，3106 巷在過斷層破碎區(qū)期間頂板出現(xiàn)破碎下沉、巷幫片幫等現(xiàn)象，其主要原因有以下幾方面：

（1）構(gòu)造應(yīng)力影響：3106 巷在過F3斷層前，斷層應(yīng)力在圍巖中處于平衡狀態(tài)。隨著巷道開拓延伸，當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層影響區(qū)時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力通過巖體傳遞進(jìn)入開挖空間并進(jìn)行釋放，應(yīng)力釋放過程中對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生剪切破壞作用[2]，使巷道頂板產(chǎn)生裂隙并逐漸形成圍巖松動(dòng)圈，破壞了頂板巖體整體穩(wěn)定性。

（2）圍巖結(jié)構(gòu)影響：由于3106 巷支護(hù)時(shí)采用液壓油鉆進(jìn)行鉆孔施工，因鉆具對(duì)鉆孔沖水作用，鉆孔施工過程中頂板產(chǎn)生大量淋水。而頂板為黑灰色炭質(zhì)泥巖，該巖體在水流浸泡作用下會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，同時(shí)該巖體單軸抗壓強(qiáng)度低，巖體成脆性[3]，在應(yīng)力作用下頂板巖體出現(xiàn)斷裂、破碎現(xiàn)象。

（3）支護(hù)設(shè)計(jì)不合理：原支護(hù)設(shè)計(jì)中錨桿、錨索屬于主動(dòng)支護(hù)，利用錨桿（索）懸吊作用、組合拱作用實(shí)現(xiàn)頂板控制。但在應(yīng)力頂板中錨桿（索）錨固后應(yīng)力對(duì)桿體鉆孔壁巖體產(chǎn)生徑向剪切破壞作用，導(dǎo)致錨桿（索）錨固失效現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了錨桿（索）支護(hù)作用。

3 破碎頂板聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高3106 巷斷層破碎區(qū)頂板穩(wěn)定性，遏制頂板事故發(fā)生，決定對(duì)原頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，并采取“桁架錨索支護(hù)+ 支設(shè)密集鋼棚”聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)，見圖1。

圖1 3106 巷破碎頂板聯(lián)合支護(hù)斷面

3.1 原支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）鋼帶優(yōu)化：為了提高巷道頂板支護(hù)截面積，在斷層破碎頂板處采用 “JW” 型鋼帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“W”型鋼帶，JW型鋼帶長度為3.8 m，寬度為0.28 m，鋼帶上均勻布置4 個(gè)直徑為30 mm 支護(hù)孔，孔間距為1.2 m，“JW”型鋼帶支護(hù)截面積為1.06 m2，載荷強(qiáng)度為270 MPa。

（2）錨桿布置優(yōu)化：為了減少支護(hù)鉆孔數(shù)量，降低鉆孔施工時(shí)對(duì)頂板不穩(wěn)定巖體產(chǎn)生擾動(dòng)影響，從而產(chǎn)生頂板二次破壞作用，同時(shí)為進(jìn)一步提高肩角煤柱穩(wěn)定性，優(yōu)化后頂板由原來的每排5 根錨桿縮減為2 根錨桿2 根錨索，錨索施工在肩角煤柱上，錨索長度為3.5 m，偏角為60°，見圖1。

3.2 桁架錨索支護(hù)

（1）桁架支護(hù)機(jī)理：桁架支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù)，通過對(duì)圍巖施工兩根斜角桁架支護(hù)體并利用桁架拉桿對(duì)兩根支護(hù)體施加水平方向的預(yù)應(yīng)力，支護(hù)體施加預(yù)應(yīng)力作用力后對(duì)煤體產(chǎn)生一個(gè)斜向上的反向作用力，該作用力在水平方向和垂直方向分力分別為Fx、Fy，分力Fx可削弱圍巖垂直應(yīng)力破壞作用[4]，從而達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定性的目的，見圖2。

（2）桁架支護(hù)結(jié)構(gòu)：3106 巷破碎頂板采用的是桁架錨索支護(hù)，錨索直徑為21.8 mm，長度為5.3 m；每架桁架錨索支護(hù)配套兩根桁架圓鋼托架，每根托架長度為1.6 m，直徑為23 mm；同時(shí)配備一根雙向張拉器，見圖2。

圖2 桁架支護(hù)原理

（3）桁架支護(hù)施工工藝：①首先在巷道破碎頂板處采用錨索鉆機(jī)施工兩根斜角錨索鉆孔，孔間距為3.0 m，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔斜角為72°，鉆孔施工完后依次對(duì)鉆孔內(nèi)注入錨索。②錨索錨注后在其外露段依次安裝圓鋼托架以及鎖具，在兩根圓桿托架端頭安裝一根雙向張拉器并預(yù)緊，預(yù)緊力為270 kN；桁架錨索支護(hù)排距為2.0 m。

3.3 架設(shè)密集工字鋼棚

（1）鋼棚支護(hù)目的：頂板錨桿、錨索以及桁架支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù)，當(dāng)頂板失穩(wěn)后主動(dòng)支護(hù)錨固效果相對(duì)較差，降低了支護(hù)性能；而鋼棚支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù)，通過架設(shè)鋼棚進(jìn)一步提高頂板穩(wěn)定性加強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)效果。同時(shí)鋼棚支護(hù)可提高頂板應(yīng)力承載作用[5]，降低了巷幫煤柱應(yīng)力傳遞破壞作用，避免巷幫片幫、收斂現(xiàn)象。

（2）鋼棚結(jié)構(gòu)組成：鋼棚主要由頂梁、棚腿、卡纜、連接桿、底座等部分組成，頂梁長度為4.2 m，棚腿長度為4.0 m，頂梁、棚腿主要有11#工字鋼切割而成。

（3）鋼棚安裝工藝：①3106 巷破碎區(qū)安裝矩形鋼棚排距為1.0 m，鋼棚安裝順序?yàn)椋旱鬃锿取斄骸B接桿； 鋼棚安裝后必須牢固可靠，鋼棚頂梁與頂板必須接觸嚴(yán)實(shí)并具有一定的預(yù)緊力。②在安裝同一家鋼棚兩根棚腿時(shí)必須拉線固定，確保兩根棚腿中心線與巷道中線垂直，每根棚腿采用一根錨桿與巷幫進(jìn)行固定。

4 結(jié)語

小西煤礦分析了3106 巷頂板破碎機(jī)理，并提出了優(yōu)化頂板支護(hù)設(shè)計(jì)以及采取“桁架錨索支護(hù)+支設(shè)密集鋼棚”聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，通過實(shí)際應(yīng)用取得了顯著應(yīng)用成效：

1）通過優(yōu)化原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)后，提高了頂板支護(hù)斷面，加強(qiáng)了肩角煤柱控制維護(hù)，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)鋼帶兩端采用斜角錨索后，肩角煤柱穩(wěn)定性得到有效提高，未發(fā)生垮落現(xiàn)象；同時(shí)優(yōu)化后減少了頂板錨桿支護(hù)數(shù)量，縮短了支護(hù)時(shí)間，避免了密集鉆孔施工時(shí)對(duì)頂板產(chǎn)生擾動(dòng)破壞作用。

2）3106巷破碎頂板采用桁架支護(hù)后，削弱了應(yīng)力對(duì)頂板破壞作用，防止了圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，提高了頂板錨桿（索）支護(hù)質(zhì)量。通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，采用桁架支護(hù)后頂板下沉量降低為140mm以下，控制頂板離層現(xiàn)象。

3）通過對(duì)3106 巷破碎頂板架設(shè)密集工字鋼棚后，提高了頂板應(yīng)力承載能力，頂板斷裂現(xiàn)象得到有效控制，同時(shí)安裝鋼棚后巷幫煤柱受力變小，兩幫收斂量控制在230mm以下，提高了巷道成型率。