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（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司，山西 大同 037000）

引言

巷道掘進(jìn)過程中受斷層影響，破壞了原巖整體力學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在煤壁片幫、頂板破碎等，而傳統(tǒng)采用的錨桿（索）支護(hù)只可對(duì)圍巖表層進(jìn)行有效支護(hù)和控制作用，一旦圍巖受應(yīng)力破壞作用，出現(xiàn)圍巖松動(dòng)圈后，支護(hù)在松動(dòng)圈內(nèi)不僅支護(hù)難度大，而且支護(hù)質(zhì)量差，對(duì)破碎圍巖很難達(dá)到有效控制作用，所以對(duì)于應(yīng)力區(qū)圍巖出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)時(shí)，必須合理分析圍巖受力情況以及圍巖出現(xiàn)破壞的機(jī)理，然后根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況采取合理有效的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，只有這樣才能保證巷道安全快速掘進(jìn)，避免頂板事故發(fā)生。

1 同忻煤礦5210 巷概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司5210 巷上覆為同家梁礦14 號(hào)層采空區(qū)集中大巷，層間距180～220 m，東部為二盤區(qū)輔運(yùn)、皮帶、回風(fēng)大巷，南部、西部均為實(shí)煤區(qū)，5210 巷道北部為8305工作面采空區(qū)（預(yù)計(jì)有積水10 萬m3），水平距離5.0 m，巷道掘進(jìn)受同層水、小煤柱破碎及上覆集中大巷煤柱影響。5210 巷設(shè)計(jì)長度為855 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=5.2 m×4.0 m，巷道掘進(jìn)煤層為3-5 號(hào)煤層中，煤層厚度為6.59～15.88 m，平均煤厚12.54 m，3-5 號(hào)煤層頂?shù)装逯饕阅鄮r為主，如表1 所示。

表1 3-5 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

5210 巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截止目前巷道已掘進(jìn)462 m，通過鉆探發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)至472 m處巷道將揭露一條F4 正斷層，斷層落差為2.2 m，傾角為52°，受F4 斷層影響，巷道掘進(jìn)至450 m 處時(shí)頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在頂板穩(wěn)定性差、局部破碎以及支護(hù)效果差等，當(dāng)巷道掘進(jìn)至462 m 處時(shí)，巷道出現(xiàn)第一次冒漏，冒漏高度為1.2 m，頂板采用傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)失效率高，無法滿足應(yīng)力區(qū)巷道圍巖支護(hù)要求[1-2]。

2 應(yīng)力區(qū)巷道圍巖破碎機(jī)理

1）斷層殘余應(yīng)力破壞作用。5210 巷在掘進(jìn)前F4斷層應(yīng)力在圍巖內(nèi)部未進(jìn)行釋放，當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層附近時(shí)，巷道為構(gòu)造應(yīng)力創(chuàng)造了釋放空間，斷層應(yīng)力沿煤體向巷道內(nèi)傳遞，應(yīng)力在傳遞過程中對(duì)圍巖產(chǎn)生裂隙擴(kuò)張破壞作用，且隨著應(yīng)力傳遞，裂隙帶向巷道內(nèi)延伸，導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)高密度裂隙區(qū)，并在巷道頂板形成圍巖松動(dòng)圈，降低了圍巖穩(wěn)定性，加劇了頂板破碎力度。

2）圍巖穩(wěn)定性差。5210 巷預(yù)留頂煤厚度為8.54 m，3-5 號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層穩(wěn)定性差，煤體單軸抗壓強(qiáng)度不足20 MPa，頂煤在應(yīng)力作用下很容易產(chǎn)生裂隙破碎現(xiàn)象，從而降低了原頂板承載能力，破壞了頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)。

3）支護(hù)強(qiáng)度低。5210 巷原頂板主要采用“錨桿+錨索+W 鋼帶+組合錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿長度為2.8 m，直徑為22 mm，而頂煤在構(gòu)造應(yīng)力作用下頂板形成圍巖松動(dòng)圈，松動(dòng)圈深度達(dá)2.4 m，原頂板錨桿錨固段位于松動(dòng)圈內(nèi)，錨桿錨固效果差，導(dǎo)致錨桿支護(hù)質(zhì)量差、支護(hù)失效率高等，原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)無法滿足應(yīng)力區(qū)圍巖支護(hù)需求。

3 應(yīng)力區(qū)巷道支護(hù)優(yōu)化

為了保證巷道安全快速過F8 斷層應(yīng)力區(qū)，同忻礦通過技術(shù)研究，對(duì)原支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

3.1 對(duì)原錨桿和鋼帶支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)支護(hù)體能夠適應(yīng)應(yīng)力區(qū)頂板蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)支護(hù)體耦合支護(hù)作用，對(duì)原錨桿、鋼帶支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

1）優(yōu)化后頂板每排布置7 根長度為3.5 m的錨索代替原錨桿，錨索直徑為21.8mm，錨索間距為0.8m，排距為0.9 m，每根錨索采用三支錨固劑進(jìn)行錨固，錨固力不得低于470 kN，預(yù)緊力不得低于290 kN。

2）每排錨索施工完后，在同一排錨索錨索外露端安裝一根長度為4.6 m“JW”型鋼帶，鋼帶寬度為0.33 m，厚度為6 mm，相比“W”型鋼帶，該鋼帶支護(hù)截面積大，且對(duì)頂板不會(huì)產(chǎn)生切頂破壞作用；原巷道頂板錨索支護(hù)設(shè)計(jì)不變。

3.2 對(duì)破碎頂板進(jìn)行桁架錨索支護(hù)

為了降低垂直應(yīng)力對(duì)頂板的垂直破壞作用，保證頂板錨桿（索）支護(hù)后預(yù)應(yīng)力能夠被穩(wěn)定持續(xù)地傳遞至破碎圍巖中，決定對(duì)破碎頂板施工桁架錨索支護(hù)。

1）每架桁架錨索支護(hù)主要由兩根錨索、兩根桁架拉桿、一個(gè)張拉器組成；錨索長度及強(qiáng)度支架關(guān)系著桁架支護(hù)效果，通過拉拔試驗(yàn)決定采用長度為4.0m，直徑為21.8 mm的錨索，該錨索最大破斷力為583kN，延展率為13%。

2）桁架錨索支護(hù)施工在兩排JW型鋼帶之間間隙頂板上，該支護(hù)施工排距為2.7 m，首先在頂板施工兩個(gè)錨索支護(hù)孔，孔間距為2.5 m，兩個(gè)支護(hù)孔對(duì)稱布置，孔深度為4.0 m，直徑為28 mm，與頂板斜角為65°。

3）支護(hù)孔施工完后依次安裝錨索，并在錨索外露端安裝桁架拉桿以及張拉器，并對(duì)兩根錨索施加水平預(yù)緊力，錨索施加預(yù)緊力后在垂直鉆孔壁方向產(chǎn)生斜向上的應(yīng)力，該應(yīng)力可對(duì)頂板垂直應(yīng)力起到削弱作用，支護(hù)原理如圖1 所示。

圖1 5210 巷應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

3.3 在應(yīng)力區(qū)巷道架設(shè)密集聯(lián)鎖梯形鋼棚，形成聯(lián)鎖梯形梁支護(hù)

為了進(jìn)一步加強(qiáng)頂板穩(wěn)定性，構(gòu)造頂板穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)，決定在應(yīng)力區(qū)巷道內(nèi)架設(shè)密集聯(lián)鎖梯形梁鋼棚。

1）聯(lián)鎖梯形梁鋼棚主要由棚腿、棚腿固定座、梯形頂梁、卡纜、聯(lián)鎖拉桿等部分組成，棚腿采用U29型鋼制成，每節(jié)棚腿長度為2.5 m，采用卡纜進(jìn)行固定；頂梁采用13 號(hào)槽鋼焊制而成，寬度為0.4 m，長度為5.2 m。

2）梯形梁鋼棚安裝間距為1.5 m，相鄰兩節(jié)鋼棚安裝后采用九組聯(lián)鎖拉桿進(jìn)行固定，其中棚腿與頂頂梁各三組，對(duì)于頂板破碎區(qū)，若頂梁與頂板接觸不嚴(yán)實(shí)可采用水泥背板進(jìn)行填充。

3）與傳統(tǒng)矩形工字鋼棚相比，梯形梁鋼棚具有支護(hù)斷面大、頂梁承載能力強(qiáng)、不易變形等優(yōu)點(diǎn)，可適用于大應(yīng)力采掘工作面中[3-5]。

4 優(yōu)化后應(yīng)用效果

截至2020 年12 月23 日，5210 巷已掘進(jìn)至520 m處，對(duì)5210 巷斷層應(yīng)力區(qū)采取聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)后，通過30 d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合支護(hù)后0～7 d 范圍內(nèi)，頂板蠕動(dòng)變形相對(duì)嚴(yán)重，頂板支護(hù)與圍巖未達(dá)到完全耦合支護(hù)作用，頂板出現(xiàn)短時(shí)間下沉現(xiàn)象，下沉量為0.09 m；在7～19 d 范圍內(nèi)，頂板蠕動(dòng)變形現(xiàn)象逐漸減弱，聯(lián)合支護(hù)對(duì)變形頂板逐漸起到耦合支護(hù)作用，頂板在該時(shí)間段內(nèi)下沉總量為0.05 m；在19 d 后頂板達(dá)到完全控制作用，頂板下沉量趨于零，在此期間頂板未出現(xiàn)破碎、冒落現(xiàn)象，取得了顯著應(yīng)用成效。