劉殿龍

（山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤業(yè)公司輔運(yùn)延伸巷位于井田北盤區(qū)。工程由山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司承包。

輔運(yùn)延伸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為188 m，為三心拱形斷面，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.6 m×4.3 m，其中拱形部高度為2.8 m，直墻部高度為1.5 m，采用爆破施工工藝。巷道位于3#～5#煤層分叉區(qū)段，其中5#煤層厚度10.56～17.43 m，平均14.11 m；3#煤層厚度3.35～6.05 m，平均4.7 m；3#～5#煤層夾矸厚度0.71～2.69 m，平均1.4 m，巖性主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖及高嶺質(zhì)泥巖。施工巷道沿3#煤層頂板掘進(jìn)，為全煤巷道。

輔運(yùn)延伸巷無偽頂，直接頂主要為黑色泥巖與粉砂巖互層，平均厚度為3.4 m，巖體平均單軸抗壓強(qiáng)度為21 MPa，抗剪強(qiáng)度為3.4 MPa；基本頂主要以灰白色中粗砂巖為主，平均厚度為6.2 m，平均抗壓強(qiáng)度為30.2 MPa，抗剪強(qiáng)度為6.97 MPa。

根據(jù)馬道頭煤礦地測(cè)科提供的資料，輔運(yùn)延伸巷掘進(jìn)至140 m處揭露一條DF3逆斷層，斷層走向斜交三條大巷，落差2.5 m，為逆斷層，平均傾角為65°，見圖1。受構(gòu)造應(yīng)力影響，輔運(yùn)延伸巷掘進(jìn)至128 m處巷道拱部出現(xiàn)局部劈裂破壞現(xiàn)象，掘進(jìn)至132 m處時(shí)出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，變形嚴(yán)重，頂板最大下沉量達(dá)620 mm，最大底鼓量達(dá)490 mm。巷道支護(hù)失效率高，掘進(jìn)速度降低至2.1 m/d，嚴(yán)重制約著安全高效掘進(jìn)。

圖1 輔運(yùn)延伸巷過DF3斷層剖面

2 原錨網(wǎng)索支護(hù)問題分析

2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）輔運(yùn)延伸巷初步設(shè)計(jì)中頂板采用“W型鋼帶+無縱筋螺紋鋼錨桿+單錨索”聯(lián)合支護(hù)方式。頂板錨桿采用長(zhǎng)度為2.5 m，直徑為22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，共計(jì)6根，W型鋼帶長(zhǎng)度為5.3 m，鋼帶上焊制6個(gè)錨桿鉆孔，孔間距為0.9 m，鋼帶排距為1.0 m，錨桿與鋼帶配套使用；頂板錨索長(zhǎng)度為5.3 m，直徑為17.8 mm，每排施工3根單錨索，錨索間距為1.8 m，排距為3.0 m。

（2）巷幫部采用錨桿支護(hù)，每排施工兩根，錨桿采用長(zhǎng)度為2.0 m，直徑為22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿配套一塊長(zhǎng)度為450 mm“W”型鋼帶；第一排錨桿施工在拱部與直墻交接點(diǎn)處，錨桿間距為1.0 m，排距為1.0 m。

2.2 存在的主要問題

（1）巷道劈裂破壞嚴(yán)重。輔運(yùn)延伸巷采用的是半圓拱形巷道斷面，拱形弧長(zhǎng)達(dá)8.4 m，而原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中鋼帶長(zhǎng)度為5.3 m，鋼帶無法對(duì)拱形頂板實(shí)現(xiàn)全封閉支護(hù)，在構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道肩部及幫部劈裂破壞嚴(yán)重，圍巖變形劇烈，巷道拱形頂板受兩側(cè)圍巖應(yīng)力相互擠壓作用，巷道形狀逐漸變成尖頂狀。

（2）頂巖穩(wěn)定性差。輔運(yùn)延伸巷直接頂主要以軟質(zhì)混合巖層為主，巖體單軸抗壓強(qiáng)度低，巷道掘進(jìn)后頂板承載能力差，在進(jìn)行頂板錨桿支護(hù)時(shí)鉆孔施工對(duì)不穩(wěn)定巖體產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)破壞，破壞了巖體完整性，巖體內(nèi)摩擦力減小，在應(yīng)力作用下巖體裂隙發(fā)育，產(chǎn)生卸壓區(qū)。

（3）支護(hù)效果差。原設(shè)計(jì)中頂板鋼帶寬度為200 mm，鋼帶支護(hù)時(shí)無法與拱形頂板完全吻合，降低了鋼帶對(duì)頂板的支撐作用效果。同時(shí)頂板錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，錨桿錨固長(zhǎng)度不足0.9 m，屬于半錨支護(hù)狀態(tài)，錨桿錨固端位于破碎巖體內(nèi)，錨桿錨固效果及抗滑能力差，導(dǎo)致頂板錨桿失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

輔運(yùn)延伸巷斷層應(yīng)力區(qū)采用“JW型鋼帶連橋+管式注漿錨桿+錨索+U29鋼棚”聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)方式斷面、平面見圖2、圖3。

3.1 “JW”型鋼帶連橋支護(hù)

為實(shí)現(xiàn)鋼帶對(duì)拱形巷道全斷面支護(hù)，提高鋼帶支護(hù)強(qiáng)度，降低巷道壁劈裂破壞，對(duì)原支護(hù)設(shè)計(jì)中W型鋼帶支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采用“JW”型鋼帶連橋支護(hù)。

“JW”型鋼帶連橋支護(hù)設(shè)計(jì)包括頂部3根弧形鋼帶，巷幫2根線型鋼帶，鋼帶寬度為380 mm。頂部弧形鋼帶長(zhǎng)度為2.8 m，每根鋼帶焊制3個(gè)直徑30 mm圓孔；幫部線型鋼帶長(zhǎng)度為1.5 m，每根鋼帶焊制2個(gè)直徑為30 mm圓孔?？组g距為1.0 m?！癑W”型鋼帶連橋支護(hù)排距為1.2 m。

（1）首先采用錨索鉆機(jī)在巷道拱形頂中部施工2個(gè)深度為6.0 m，直徑為25 mm鉆孔，鉆孔施工完后錨固一根長(zhǎng)度為6.3 m，直徑為21.6 mm恒阻錨索，錨索外露長(zhǎng)度控制在0.15～0.25 m范圍內(nèi)。

（2）頂部錨索安裝后在其下端安裝一根弧形鋼帶，并進(jìn)行預(yù)緊固定；第一根弧形鋼帶固定后，將剩下兩根鋼帶第一個(gè)鉆孔與第一根鋼帶首尾鉆孔疊加布置，并同樣采用一根恒阻錨索固定。

（3）頂部弧形鋼帶固定后，將幫部線型鋼帶與弧形鋼帶同樣疊加搭接，并在搭接出采用一根長(zhǎng)度為3.5 m，恒阻錨索進(jìn)行固定，見圖2。

3.2 管式錨注支護(hù)

為了實(shí)現(xiàn)錨桿全錨效果，提高破碎巖體膠結(jié)穩(wěn)定性，減少鉆孔擾動(dòng)破壞，對(duì)原設(shè)計(jì)中錨桿進(jìn)行優(yōu)化，采用管式錨注支護(hù)。注漿錨桿長(zhǎng)度為3.0 m，錨桿直徑為25 mm，錨桿中部焊制1個(gè)孔徑為12 mm圓孔，且延伸至桿體底部，在桿體兩側(cè)上均勻焊制5個(gè)直徑為6 mm圓孔，且與中部孔連通，圓孔間距為0.5 m。水泥、水玻璃混合液中水泥采用P.O 42.5R硅酸鹽水泥，選用40°Be＇水玻璃，水泥與水玻璃配比為4∶5。

（1）巷道全斷面施工5根注漿錨桿，其中拱形頂部施工3根，幫部施工2根。頂部注漿錨桿施工在弧形鋼帶中部，幫部注漿錨桿施工在巷幫中部，見圖2。

（2）管式注漿錨桿安裝后，在其外露端外絲尾套連接注漿軟管，采用TBW-50/15型泥漿泵注漿，注漿壓力控制在0.8 MPa，注漿時(shí)從頂部向幫部依次施工，注漿期間發(fā)現(xiàn)巖體有漿液滲出現(xiàn)象時(shí)立即停止注漿。

（3）注漿完成后采用海帶及膨脹水泥對(duì)管式錨桿中部注漿孔進(jìn)行封堵，并在錨桿外露端安裝拱形墊片及螺母，將其與鋼帶預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200 N·m。

3.3 架設(shè)U29型鋼棚

為了提高兩幫煤柱對(duì)頂板支撐作用，避免兩幫煤柱產(chǎn)生剝離破壞以及底板鼓起等現(xiàn)象，斷層破碎帶架設(shè)U29型鋼棚加強(qiáng)支護(hù)。

（1）U29型鋼棚主要由弧形頂梁（3節(jié)）、棚腿（2根）、卡纜等部分組成，每節(jié)弧形頂梁長(zhǎng)度為3.0 m，棚腿長(zhǎng)度為1.5 m，鋼棚每節(jié)棚腿或頂梁對(duì)接長(zhǎng)度不得低于0.2 m，并采用卡纜進(jìn)行固定。

（2）U29型鋼棚架設(shè)間距為1.5 m，鋼棚架設(shè)后鋼棚與圍巖之間預(yù)留寬度為0.2 m間隙，并采用長(zhǎng)度為1.6 m水泥板背幫，在相鄰兩架鋼棚之間采用3組拉桿進(jìn)行固定。

圖2 輔助延伸巷斷層破碎帶聯(lián)合支護(hù)斷面

圖3 輔運(yùn)延伸巷斷層破碎帶聯(lián)合支護(hù)平面

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

針對(duì)馬道頭煤礦輔運(yùn)延伸巷過斷層構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，頂板破碎、巷道成型差、支護(hù)難度大等技術(shù)難題，分析了原支護(hù)設(shè)計(jì)主要存在的問題，提出“JW型鋼帶連橋+管式錨注+錨索+U29型工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)措施，實(shí)際應(yīng)用取得了顯著成效。

1）與傳統(tǒng)“W”型鋼帶相比，“JW”型鋼帶連橋支護(hù)實(shí)現(xiàn)了拱形巷道全斷面支護(hù)的目的，防止了巷道肩角、巷幫出現(xiàn)劈裂破壞。同時(shí)，“JW”型鋼帶寬度增加，提高了圍巖支護(hù)斷面，而且頂板弧形鋼帶能夠與拱形頂部相吻合，避免線型鋼帶支護(hù)時(shí)鋼帶彎曲變形大，與頂板接觸不緊密現(xiàn)象，提高了鋼帶支護(hù)作用。

2）管式錨注支護(hù)是將錨桿支護(hù)與注漿技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的斷層破碎帶，注漿可以改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，提高粘聚力和內(nèi)摩擦角，使巖體強(qiáng)度顯著提高，使圍巖形成穩(wěn)定完整的承載梁，而且注漿后可將短錨支護(hù)改變?yōu)槿^支護(hù)，提高了支護(hù)體抗滑能力。

3）通過對(duì)拱形巷道架設(shè)U29型鋼棚不僅進(jìn)一步提高了頂板穩(wěn)定性，防止了頂板破碎、下沉現(xiàn)象，而且U29型鋼棚減小了頂板垂直應(yīng)力對(duì)巷幫煤墻破壞作用，防止巷幫煤墻片幫、底板鼓起等現(xiàn)象，提高了巷道成型率。

通過對(duì)巷道圍巖觀察發(fā)現(xiàn)，輔運(yùn)延伸巷采取聯(lián)合支護(hù)后，巷道成型率大大提高，未出現(xiàn)頂板破碎、冒落現(xiàn)象，避免了巷道二次修復(fù)等工序，頂板最大下沉量控制在120 mm以下，縮短了巷道支護(hù)時(shí)間，巷道掘進(jìn)速度提高至4.2 m/d。過斷層構(gòu)造應(yīng)力區(qū)期間減少支護(hù)成本費(fèi)用達(dá)7.9萬元。