大断面煤巷断层破碎区支护措施研究

田文军

（大同煤矿集团朔州煤电小峪煤业有限公司，山西 朔州 038301）

由于煤层的单轴抗压强度、胶结稳定性以及承载能力低于岩体，在全煤巷道掘进时一旦受集中应力等作用，很容易导致巷道围岩稳定性降低，若不及时采取合理有效的支护措施，易造成顶板下沉、煤壁片帮、底板鼓起等现象，甚至会发生安全事故，不仅制约巷道掘进效率，而且威胁巷道施工安全。本文以小峪煤矿2202巷为例，对巷道掘进期间过破碎区的合理有效支护措施进行研究，取得了显著成效。

1 工作面概况

大同煤矿集团朔州煤电小峪煤业有限公司2202巷位于井田402盘区北部，施工巷道北部为实煤区，南部为8204采空区，西部为402盘区辅助运输巷、回风巷，东部为矿界。

2202巷设计长度为1512m，巷道断面规格为宽×高=5.3×3.5m，属大断面巷道。巷道掘进煤层为二叠纪下统山西组5#煤层，平均厚度为10.75m，施工巷道沿煤层底板布置。5#煤层直接顶主要为炭质泥岩，平均厚度为2.7m，基本顶主要为细砂岩，平均厚度为11.9m。

2202巷采用机械化掘进施工工艺，截至目前巷道已掘进400m。巷道初步支护设计中，顶板采用锚杆、锚索、M型钢带进行联合支护。顶板每排布置一根长度为5.0m、宽度为0.15m钢带以及6根长度为2.5m左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间距为1.0m，钢带排距为1.0m。顶板锚索采用长度为5.0m、直径为17.8mm预应力钢绞线，每排布置3根，间距×排距=2.0×3.0m。

地测科提供工作面地质资料显示，2202巷掘进至420m处时，揭露F11正断层，断层落差为1.2m，倾角为52°。受构造应力影响，巷道掘进至395m处顶板开始出现局部破碎现象，当巷道掘进至400m处时顶板出现大面积破碎、局部冒顶现象，巷道永久支护失效严重。

2 2202巷破碎区联合支护措施研究

为了提高2202巷过破碎区围岩稳定性，保证施工巷道安全快速过破碎区，小峪矿通过技术研究，决定在2202巷400～450m段顶板采取“管棚超前支护+JW型钢棚+恒阻锚索桁架支护”联合支护措施。

2.1 管棚超前支护

由于2202巷掘进后顶板空顶长度达1.2m，在永久支护前受顶板集中应力影响，空顶处顶板极易冒落，不利于施工安全及永久支护施工，决定掘进前对顶板施工一排管棚支护进行超前维护。

（1）巷道上一循环掘进完成后，及时将顶板永久支护施工到位，然后采用手持式钻机在工作面设计顶板位置施工一排超前支护钻孔，共计10个，间距为0.5m，直径为40mm，深度为3.0m，钻孔垂直方向允许角度偏差为±3°。

（2）支护钻孔施工完后，依次向钻孔内填装两支长度为0.6m快速型锚固剂以及一根长度为3.5m、直径为35mm的钢管，钢管距底部1.0m范围内两侧分别焊制5个圆孔，然后采用钻机进行锚固。

（3）在钢管外露端每三根安装两块夹板进行固定。第一组钢棚超前支护施工完后巷道继续掘进，当巷道掘进2.0m后施工第二组管棚支护。相邻两组管棚支护叠加交错式布置，叠加距离为1.0m，如图1所示。

2.2 架设JW型钢棚

为了解决M型钢带承载能力低、支护效果差等难题，提高支护体支护强度，决定在永久支护施工完后架设“JW”型钢棚。

（1）“JW”型钢棚主要由顶梁、棚腿、卡缆等部分组成。顶梁由一根长度为5.0m、宽度为0.38m、厚度为0.08mm的“JW”型钢制成，每根顶梁上焊制三个直径为30mm圆孔，孔间距为2.0m。棚腿主要为两根11#工字钢梁，长度为3.5m。

（2）“JW”型钢棚架设在相邻两根钢带之间，钢棚间距为2.0m。首先在顶板施工两根长度为5.0m锚索，间距为2.0m，锚索外露长度为0.3m。锚索施工完后，将钢棚“JW”型顶梁安装在三根锚索外露端，并采用钢方垫及锁具将其与顶板预紧，预紧力不得低于170kN。

（3）钢棚顶梁安装后，在顶梁两端安装棚腿，棚腿底座必须固定在坚硬底板上，棚腿与顶梁之间采用卡缆固定，卡缆螺母预紧力必需低于200N·m。棚腿架设后必须保证与顶梁垂直，严禁出现倾斜现象。

2.3 恒阻锚索桁架支护

为了降低构造应力对顶板垂直破坏作用，决定对顶板施工恒阻锚索桁架支护。

（1）每架恒阻锚索桁架支护主要由两根长度为8.0m、直径为21.6mm高强度预应力锚索，两根长度为1.6m、直径为20mm圆钢，连接器以及锁具等部分组成。

（2）首先在应力区顶板距巷帮1.0m处各施工一个锚索钻孔，钻孔深度为8.0m，孔径为30mm，钻孔与顶板夹角为60°。钻孔施工完后对钻孔分别填装锚固剂及恒阻锚索，并进行预紧，锚索外露长度控制在0.3m。

（3）锚索安装后，在锚索外露端分别安装圆钢及锁具，并进行预紧，然后将两根圆钢端头安装双孔连接器，并进行对拉预紧。预紧力主要取决于顶板破碎情况，一般连接器对拉预紧力控制120～200kN范围内。

（4）恒阻锚索桁架支护间距为2.0m，且施工在相邻两排钢带之间。桁架支护施工完后必须保证钢管与顶板接触严实，不接顶处采用木楔背紧。

图1 2202巷应力区顶板联合支护断面示意图

3 效果

（1）施工管棚超前支护后，解决了巷道掘进后因顶板应力作用导致巷道顶板垮落、煤壁片帮、支护难度大等难题，保证了破碎区顶板平整性，提高了顶板永久支护效果。

（2）与工字钢棚相比，“JW”型钢棚支护断面是工字钢棚的3倍，支护强度高，支护效果好，避免了在应力作用下钢棚顶梁与顶板出现切顶破坏；而且“W”型钢棚提高顶板稳定性及承载能力，解决了M型钢带承载能力差，出现顶板下沉现象。

（3）由于构造应力垂直向下，对顶板剪切破坏严重，通过施工恒阻锚索桁架支护后，可降低顶板应力垂直破坏作用，有效防止了顶板永久支护失效现象，提高了支护体支护作用。

（4）2202巷顶板破碎区采取联合支护措施后，在后期3个月观察发现，前两个月受顶板塑性变化影响，顶板最大下沉量为0.12m，在第三个月后顶板区域稳定，下沉量为0m。