高劉奇

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城四侯煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

巷道在掘進(jìn)過程中破壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致巷道開挖后巷道圍巖應(yīng)力大，局部出現(xiàn)破碎、變形現(xiàn)象，在圍巖內(nèi)形成松動(dòng)圈。當(dāng)巷道過地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，圍巖松動(dòng)圈范圍大，所以巷道掘進(jìn)支護(hù)主要作用是對(duì)圍巖松動(dòng)圈的控制。合理有效的支護(hù)設(shè)計(jì)，不僅降低了巷道支護(hù)成本費(fèi)用，而且能夠起到預(yù)期支護(hù)效果，降低巷道變形現(xiàn)象，保證巷道成型率。巷道在掘進(jìn)期間出現(xiàn)頂板破碎、下沉現(xiàn)象時(shí)，必須合理分析圍巖破碎機(jī)理，并根據(jù)實(shí)際情況采取合理有效的支護(hù)措施。

1 概述

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城四侯煤業(yè)有限公司3108運(yùn)輸巷位于礦井北部一采區(qū)，巷道設(shè)計(jì)長度為650m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5×4.0m，巷道沿3#煤層頂板平行掘進(jìn)，煤層平均厚度為3.7m。

3108 運(yùn)輸巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝，巷道初步支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板采用錨桿、M 型鋼帶、錨索聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿采用長度為2.0m、直徑為20mm圓鋼錨桿，每排布置5根，錨桿間排距為1.0m；M 型鋼帶長度為4.2m，每根鋼帶采用5 根錨桿進(jìn)行固定；錨索采用長度為5.0m、直徑為17.8mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置兩根，錨索間距為2.0m，排距為4.0m。截至2018 年8 月21 日巷道已掘進(jìn)至440m，巷道掘進(jìn)至435m 處頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，隨著不斷延伸，巷道在435～440m 范圍內(nèi)，頂板破碎加劇，頂板下沉、兩幫變形現(xiàn)象嚴(yán)重，局部頂板出現(xiàn)冒落現(xiàn)象。

2 頂板破碎機(jī)理

（1）掘進(jìn)應(yīng)力影響。巷道在掘進(jìn)過程中破壞了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，巷道開挖后應(yīng)力重新分配，導(dǎo)致巷道頂板受應(yīng)力剪切破壞嚴(yán)重，巷道支護(hù)后頂板在一定時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，形成圍巖松動(dòng)圈，從而降低了頂板支護(hù)強(qiáng)度，而且在圍巖不穩(wěn)定互層處出現(xiàn)下沉、離層現(xiàn)象。

（2）地質(zhì)構(gòu)造影響。通過巷道掘進(jìn)地質(zhì)資料顯示，3108 運(yùn)輸巷430～470m 處北部25m 處含有一條大正斷層F3，落差為12m，平均傾角為52°。受斷層應(yīng)力影響，斷層附近煤巖體結(jié)構(gòu)破壞，煤巖體穩(wěn)定性降低，在掘進(jìn)應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力的集中破壞作用下，巷道頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。

（3）支護(hù)設(shè)計(jì)不合理。原巷道頂板錨桿主要采用圓鋼錨桿，錨桿在錨固時(shí)桿體與錨固劑擠壓面積小，無法使錨固劑充分?jǐn)嚢?，?dǎo)致錨固質(zhì)量差；直徑為20mm 圓鋼錨桿屈服強(qiáng)度為122MPa，在高應(yīng)力作用下易斷裂；原頂板采用的M 型鋼帶寬度為0.15m，厚度為2.8mm，該鋼帶對(duì)頂板支護(hù)斷面小，在頂板蠕動(dòng)變形下鋼帶變形嚴(yán)重且出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致頂板支護(hù)強(qiáng)度不足現(xiàn)象。

（4）頂板穩(wěn)定性差。3108 運(yùn)輸巷無偽頂，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖及粉砂巖混合巖層為主，平均厚度為2.7m，巖石普氏系數(shù)f ＜3.0。在集中應(yīng)力作用下頂板穩(wěn)定性差，無法形成完整、穩(wěn)定的承載梁，從而出現(xiàn)頂板破碎現(xiàn)象。

3 破碎頂板安全管理技術(shù)措施

通過鉆孔探測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)資料分析可得，巷道破碎區(qū)預(yù)計(jì)長度為45m。為了保證巷道后期掘進(jìn)安全，四候煤礦決定對(duì)巷道破碎區(qū)頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采取“鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)+安裝JW 型鋼帶+柔模澆筑”聯(lián)合支護(hù)措施。

3.1 鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)

（1）為了解決頂板來壓時(shí)傳統(tǒng)經(jīng)緯鉛絲網(wǎng)耐壓強(qiáng)度低，出現(xiàn)變形、斷裂等現(xiàn)象，決定在頂板破碎區(qū)采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂。鋼筋網(wǎng)主要由直徑為5mm 圓鋼縱橫交錯(cuò)編制而成，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格為80×80mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為長×寬=2.5×1.2m。

（2）巷道每掘進(jìn)1.0m 后及時(shí)對(duì)頂板安裝兩片鋼筋網(wǎng)，相鄰兩片鋼筋網(wǎng)搭接寬度為0.2m，鋼筋網(wǎng)采用鋼帶及錨桿進(jìn)行固定，每排鋼帶施工在相鄰兩排鋼筋網(wǎng)搭接處。

（3）為了防止頂板來壓時(shí)對(duì)同一排兩片鋼筋網(wǎng)搭接處產(chǎn)生撕裂破壞，巷道每掘進(jìn)2.0m 后在相鄰兩排鋼帶之間兩片鋼筋網(wǎng)連接處施工一根長度為5.0m 錨索，并在錨索外露端安裝一根長度為0.6m“JW”型鋼梁，如圖1 所示。

圖1 優(yōu)化后3108 運(yùn)輸巷頂板破碎區(qū)支護(hù)平面示意圖

3.2 安裝JW 型鋼帶

（1）為提高頂板破碎區(qū)支護(hù)強(qiáng)度，降低支護(hù)失效率，決定對(duì)原頂板鋼帶、錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。頂板采用“JW”型鋼帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)“M”型鋼帶，鋼帶長度為4.2m，寬度為0.38m，厚度為4mm。該鋼帶具有支護(hù)強(qiáng)度高、不易變形、支護(hù)斷面大、切頂破壞不明顯等優(yōu)點(diǎn)，可用于大應(yīng)力變形巷道中。

（2）頂板每排錨桿布置數(shù)量不變，將原來頂板圓鋼錨桿更換為長度為2.5m、直徑為22mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。該錨桿屈服強(qiáng)度為186MPa，錨桿上鑲嵌左旋絲紋從而可以保證錨固劑攪拌充分。

（3）左旋無縱筋螺紋鋼錨桿與“JW”型鋼帶配套使用，在錨桿外露端安裝一塊長度為0.3m、寬度為0.1m 讓壓拱形鋼墊，拱形高度為7mm，通過安裝拱形墊片可以實(shí)現(xiàn)錨桿與頂板讓壓作用。

（4）為了提高錨索支護(hù)效果，將原頂板錨索排距縮短為2.0m，錨索間距為3.0m，且與壓網(wǎng)錨索采用“一.二.一”布置方式，在同一排錨索外露端安裝一根長度為3.0m、寬度為0.18m 槽鋼。

3.3 柔模澆筑

由于3108 運(yùn)輸巷服務(wù)年限為1.2a，巷道服務(wù)年限長，對(duì)頂板破碎區(qū)僅采用支護(hù)體進(jìn)行加固后在后期回采過程中，受采動(dòng)影響很容易再次發(fā)生頂板破碎、冒落現(xiàn)象，所以決定對(duì)破碎區(qū)采用柔模澆筑技術(shù)人工施工次生頂板。

（1）首先在頂板破碎區(qū)下方架設(shè)矩形工字鋼棚，鋼棚主要由棚腿、頂梁、卡纜等部分組成。兩根棚腿長度為3.7m，頂梁長度為4.5m，棚腿與巷幫采用錨桿進(jìn)行固定，鋼棚架設(shè)間距為1.5m，鋼棚架設(shè)后頂梁與頂板保持間距為0.3m。

（2）相鄰三架鋼棚架設(shè)完成后，在鋼棚上方走向鋪設(shè)木板。木板長度為3.0m，寬度為0.2m，厚度為5mm。木板鋪設(shè)后在其上方依次鋪設(shè)金屬網(wǎng)、風(fēng)筒布，并在首尾兩架鋼棚處支設(shè)盒板。如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后3108 運(yùn)輸巷頂板破碎區(qū)支護(hù)斷面示意圖

（3）支護(hù)完成后對(duì)支護(hù)空間注入混凝土，混凝土中水泥、沙子、石子配比為1:2:2，水泥采用強(qiáng)度為42.5R 的硅酸鹽水泥。第一組柔模澆筑完成后依次進(jìn)行第二組柔模澆筑，依次類推直至巷道完全過應(yīng)力破碎區(qū)。

4 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)M 型鋼帶相比，JW 型鋼帶支護(hù)斷面大，剛度強(qiáng)，不易變形，對(duì)破碎、離層頂板起到有效支護(hù)作用，解決了傳統(tǒng)鋼帶支護(hù)斷面小、易斷裂且對(duì)頂板產(chǎn)生切頂破壞等技術(shù)難題。

（2）優(yōu)化后頂板采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿以及讓壓拱形墊片，不僅提高了錨桿承壓強(qiáng)度及錨桿錨固效果，而且通過讓壓拱形墊片可實(shí)現(xiàn)錨桿讓壓作用，提高錨桿與變形圍巖耦合支護(hù)作用，降低了錨桿失效現(xiàn)象。

（3）通過架設(shè)鋼棚以及柔模澆筑人工施工次生頂板，形成頂板承載梁，進(jìn)一步提高了破碎區(qū)頂板穩(wěn)定性，防止了破碎頂板出現(xiàn)下沉、斷裂、冒落等現(xiàn)象。

（4）截至2018 年8 月28 日3108 運(yùn)輸巷已完全通過頂板破碎區(qū)。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，對(duì)巷道破碎區(qū)頂板支護(hù)優(yōu)化后，控制了頂板蠕動(dòng)變形速率，頂板下沉量控制在0.14m 以下，頂板未發(fā)生斷裂、冒落現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)速率提高至6.7m/d，保證了巷道安全快速掘進(jìn)。