软岩煤层应力区巷道围岩控制措施

郭鑫煜

（山西煤炭运销集团盛泰煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 概述

盛泰煤矿东翼胶带大巷位于井田二采区东部，巷道开口位于西翼胶带大巷与集中胶带大巷相交处东帮。工作面北部32m为东翼轨道大巷，工作面南部25m为东翼回风大巷，西部为集中胶带大巷。

东翼胶带大巷掘进煤层为15#煤，煤层平均厚度为1.23m，平均倾角为4°。15#煤层内生裂隙发育，性脆易碎，局部夹1～2层0.1～0.3m炭质泥岩夹矸，煤岩体普氏系数f=1.8。15#煤层直接顶主要以泥岩与砂岩互层为主，平均厚度为3.5m，直接顶稳定性差，易破碎；基本顶主要以K2灰岩为主，平均厚度为11.2m。根据东翼胶带大巷水文地质资料显示，东翼胶带大巷在掘进过程中共计揭露4条断层（F2、F3、F4、F5），分别位于110m、395m、580m和1102m处。其中F2、F5为逆断层，断层平均落差为0.7m，平均倾角为37°，断层对巷道掘进影响小；F3、F4为正断层，F3断层落差为1.3m，平均倾角为52°，F4断层落差为1.5m，平均倾角为57°，两条正断层对巷道影响较大。

东翼胶带大巷设计长度为1353m，设计矩形断面，断面规格为宽×高=5.0×3.5m，巷道沿15#层顶板掘进，施工巷道为半煤岩巷，岩体厚度为2.3m。东翼胶带大巷采用综合机械化掘进施工工艺，已掘进565m。巷道掘进期间顶板、巷帮主要采用传统锚杆、锚索、钢带进行支护。巷道在过F2断层期间顶板出现局部破碎现象，未出现顶板下沉、冒落现象，原支护设计可满足顶板支护要求。当巷道掘进至380m处时受F3断层应力影响，巷道顶板破碎，巷帮变形严重，原支护设计维护顶板及巷帮困难。巷道在揭露F3断层期间顶板最大下沉量达0.48m，巷帮移近量达0.52m，底鼓量达0.33m。

2 巷道围岩变形原因分析

（1）地质构造影响。受断层影响，断层上下盘岩体出现空间上位移，破坏了煤岩体整体稳定性，断层附近煤岩体内裂隙发育，形成应力卸压空间。巷道在掘进过程中受围岩应力及构造应力集中作用，使得断层附近岩体产生卸压张拉破坏，导致裂隙岩体破坏严重。

（2）围岩承载结构稳定性差。东翼胶带大巷宽度为5.0m，巷道宽度大，巷道掘进后顶板形成的承载梁结构稳定性差，在应力作用下承载梁中部出现下沉、断裂现象。同时承载梁两端对两侧煤柱产生拉剪破坏，造成两帮与顶板之间肩角煤柱垮落严重，导致两帮煤柱支撑强度降低，巷帮出现片帮、收缩现象，底板出现鼓起现象。

（3）围岩稳定性差。东翼胶带大巷沿15#煤层顶板掘进，直接顶以混合岩层为主，岩体单轴抗压强度不足27MPa，岩体稳定性差，在集中应力破坏作用下巷道顶板破坏严重。同时，施工巷道以半煤岩巷掘进，巷帮上部为煤体，下部为岩体，煤岩交接处结构不稳定，在应力作用下出现挤压破坏，巷帮破坏严重。

（4）原支护质量差。东翼胶带大巷在掘进前期围岩主要采用锚杆、锚索支护，锚索（杆）网支护时支护体屈服强度有限，在大应力破坏作用下锚杆、锚索出现严重变形现象，导致支护失效严重，降低了松动围岩支护效果。

3 巷道围岩联合控制措施

为了保证东翼胶带大巷过F4断层期间围岩稳定性，提高巷道过断层掘进速度，保证巷道施工安全，巷道掘进至565m处时决定对巷道围岩采取联合控制措施。

3.1 顶板下沉控制措施

为了加强顶板承载梁承载强度，削弱集中应力对顶板破坏作用，提高应力区巷道顶板稳定性，防止顶板破碎现象，决定对顶板采取“L型钢带+桁架锚索+矩形钢棚”联合支护措施。

3.1.1 L型钢带支护

（1）对应力区巷道顶板及帮部施工“L”型钢带主要目的是加强巷道肩角煤柱支护，降低剪切应力区肩角煤柱破坏作用，从而提高巷道成型率，保证两帮煤柱具有足够的支撑作用强度。

（2）东翼胶带大巷顶板安装L型钢带长边长度为1.0m，短边长度为0.5m，钢带宽度为0.3m，长边与短边构成“L”型，在钢带两边以及拐角处焊制三个孔径为25mm圆孔。

（3）“L”型钢带长边布置在顶板上，短边布置在巷帮上，钢带布置间距为1.0m。在钢带两边上分别施工一根长度为2.0m、直径为22mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆将其与顶板及帮部固定，在拐角处施工一根长度为5.0m、直径为21.6mm肩角锚索，锚索与巷帮及顶板夹角为45°。如图1所示。

3.1.2 桁架锚索支护

（1）为了实现桁架锚索支护既能够削弱集中应力，又能大断面支护顶板的目的，采用桁架锚索支护主要由两根长度为4.0m、直径为21.6mm恒阻锚索、两根长度为1.4m、宽度为0.15m槽钢以及一个高强度张拉弹簧等部分组成，槽钢两端各焊制一个直径为30mm圆孔。

（2）首先在相邻两根钢带之间施工两个锚索钻孔，钻孔间距为3.0m，钻孔与顶板夹角为60°。钻孔施工完后对钻孔内锚注两根恒阻锚索，锚索外露长度控制在0.2～0.3m范围内。

（3）锚索安装后在锚索外露端安装两根槽钢，槽钢平面与顶板接触，并采用锁具进行预紧。在两根槽钢另一端采用高强度张拉弹簧进行预紧，预紧后保证两根槽钢具有足够的水平张力。桁架锚索支护排距为2.0m。

3.1.3 矩形钢棚支护

（1）钢棚架设间距为1.5m，钢棚棚腿及顶梁主要由11#工字钢梁制成，顶梁与棚腿之间采用U型卡固定，钢棚架设高度为3.4m，相邻两架钢棚棚腿之间采用四组圆钢拉杆进行相互固定。

（2）巷道应力区共需架设20架钢棚，所有钢棚架设完成后，在钢棚顶梁上密集铺设长度为4.0m槽钢，铺设完成后保证槽钢与顶板接触严实。

图1 应力区巷道联合支护断面示意图

3.2 巷帮围岩变形控制措施

为了解决传统巷帮单锚杆点性支护断面小、联锁支护作用低等技术不足，决定对F4断层应力区巷道两帮采取施工迈步式JW型钢带进行维护。

（1）为了满足单茬巷道掘进巷帮支护要求，“JW”型钢带长度为1.5m，钢带宽度为0.35m，钢带上焊制两个直径为25mm圆孔，孔间距为1.0m。巷帮锚杆采用长度为2.0m、直径为22mm让压螺旋锚杆，最大让压距离为0.3m。

（2）“JW”型钢带沿巷道走向布置，第一排钢带施工在距顶板0.8m处，同一排相邻两根钢带间距为1.0m，相邻两排钢带排距为1.0m，且第二排钢带与一排钢带迈步式布置，如图2所示，依次类推，第三排与第二排迈步式布置。

图2 应力区巷道帮部迈步式“JW”型钢带平面布置图

4 应用效果

截至2019年3月东翼胶带大巷已掘进到位。过F4断层期间对巷道围岩采取联合控制措施后，施工巷道顶板破碎得到有效控制，顶板最大下沉量控制在0.14m以下，两帮未出现片帮现象，两帮移近量不足0.32m，在巷道允许耦合变形范围内。同时肩角煤柱维护效果好，保证了巷道成型率，未出现底鼓现象，巷道掘进速率提高至9.2m/d。