掘进巷道破碎区安全管理技术措施研究

高刘奇

（山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司，山西 晋城 048100）

巷道在掘进过程中破坏了原岩应力状态，导致巷道开挖后巷道围岩应力大，局部出现破碎、变形现象，在围岩内形成松动圈。当巷道过地质构造时，围岩松动圈范围大，所以巷道掘进支护主要作用是对围岩松动圈的控制。合理有效的支护设计，不仅降低了巷道支护成本费用，而且能够起到预期支护效果，降低巷道变形现象，保证巷道成型率。巷道在掘进期间出现顶板破碎、下沉现象时，必须合理分析围岩破碎机理，并根据实际情况采取合理有效的支护措施。

1 概述

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司3108运输巷位于矿井北部一采区，巷道设计长度为650m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5×4.0m，巷道沿3#煤层顶板平行掘进，煤层平均厚度为3.7m。

3108 运输巷采用综合机械化掘进施工工艺，巷道初步支护设计中顶板采用锚杆、M 型钢带、锚索联合支护。顶板锚杆采用长度为2.0m、直径为20mm圆钢锚杆，每排布置5根，锚杆间排距为1.0m；M 型钢带长度为4.2m，每根钢带采用5 根锚杆进行固定；锚索采用长度为5.0m、直径为17.8mm 预应力钢绞线，每排布置两根，锚索间距为2.0m，排距为4.0m。截至2018 年8 月21 日巷道已掘进至440m，巷道掘进至435m 处顶板出现局部破碎现象，随着不断延伸，巷道在435～440m 范围内，顶板破碎加剧，顶板下沉、两帮变形现象严重，局部顶板出现冒落现象。

2 顶板破碎机理

（1）掘进应力影响。巷道在掘进过程中破坏了原岩应力平衡状态，巷道开挖后应力重新分配，导致巷道顶板受应力剪切破坏严重，巷道支护后顶板在一定时间范围内出现蠕动变形现象，形成围岩松动圈，从而降低了顶板支护强度，而且在围岩不稳定互层处出现下沉、离层现象。

（2）地质构造影响。通过巷道掘进地质资料显示，3108 运输巷430～470m 处北部25m 处含有一条大正断层F3，落差为12m，平均倾角为52°。受断层应力影响，断层附近煤岩体结构破坏，煤岩体稳定性降低，在掘进应力及构造应力的集中破坏作用下，巷道顶板出现破碎现象。

（3）支护设计不合理。原巷道顶板锚杆主要采用圆钢锚杆，锚杆在锚固时杆体与锚固剂挤压面积小，无法使锚固剂充分搅拌，导致锚固质量差；直径为20mm 圆钢锚杆屈服强度为122MPa，在高应力作用下易断裂；原顶板采用的M 型钢带宽度为0.15m，厚度为2.8mm，该钢带对顶板支护断面小，在顶板蠕动变形下钢带变形严重且出现断裂现象，从而导致顶板支护强度不足现象。

（4）顶板稳定性差。3108 运输巷无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩及粉砂岩混合岩层为主，平均厚度为2.7m，岩石普氏系数f ＜3.0。在集中应力作用下顶板稳定性差，无法形成完整、稳定的承载梁，从而出现顶板破碎现象。

3 破碎顶板安全管理技术措施

通过钻孔探测以及现场资料分析可得，巷道破碎区预计长度为45m。为了保证巷道后期掘进安全，四候煤矿决定对巷道破碎区顶板支护进行优化，采取“铺设钢筋网+安装JW 型钢带+柔模浇筑”联合支护措施。

3.1 铺设钢筋网

（1）为了解决顶板来压时传统经纬铅丝网耐压强度低，出现变形、断裂等现象，决定在顶板破碎区采用钢筋网护顶。钢筋网主要由直径为5mm 圆钢纵横交错编制而成，钢筋网网格为80×80mm，钢筋网规格为长×宽=2.5×1.2m。

（2）巷道每掘进1.0m 后及时对顶板安装两片钢筋网，相邻两片钢筋网搭接宽度为0.2m，钢筋网采用钢带及锚杆进行固定，每排钢带施工在相邻两排钢筋网搭接处。

（3）为了防止顶板来压时对同一排两片钢筋网搭接处产生撕裂破坏，巷道每掘进2.0m 后在相邻两排钢带之间两片钢筋网连接处施工一根长度为5.0m 锚索，并在锚索外露端安装一根长度为0.6m“JW”型钢梁，如图1 所示。

图1 优化后3108 运输巷顶板破碎区支护平面示意图

3.2 安装JW 型钢带

（1）为提高顶板破碎区支护强度，降低支护失效率，决定对原顶板钢带、锚杆支护参数进行优化。顶板采用“JW”型钢带代替传统“M”型钢带，钢带长度为4.2m，宽度为0.38m，厚度为4mm。该钢带具有支护强度高、不易变形、支护断面大、切顶破坏不明显等优点，可用于大应力变形巷道中。

（2）顶板每排锚杆布置数量不变，将原来顶板圆钢锚杆更换为长度为2.5m、直径为22mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆。该锚杆屈服强度为186MPa，锚杆上镶嵌左旋丝纹从而可以保证锚固剂搅拌充分。

（3）左旋无纵筋螺纹钢锚杆与“JW”型钢带配套使用，在锚杆外露端安装一块长度为0.3m、宽度为0.1m 让压拱形钢垫，拱形高度为7mm，通过安装拱形垫片可以实现锚杆与顶板让压作用。

（4）为了提高锚索支护效果，将原顶板锚索排距缩短为2.0m，锚索间距为3.0m，且与压网锚索采用“一.二.一”布置方式，在同一排锚索外露端安装一根长度为3.0m、宽度为0.18m 槽钢。

3.3 柔模浇筑

由于3108 运输巷服务年限为1.2a，巷道服务年限长，对顶板破碎区仅采用支护体进行加固后在后期回采过程中，受采动影响很容易再次发生顶板破碎、冒落现象，所以决定对破碎区采用柔模浇筑技术人工施工次生顶板。

（1）首先在顶板破碎区下方架设矩形工字钢棚，钢棚主要由棚腿、顶梁、卡缆等部分组成。两根棚腿长度为3.7m，顶梁长度为4.5m，棚腿与巷帮采用锚杆进行固定，钢棚架设间距为1.5m，钢棚架设后顶梁与顶板保持间距为0.3m。

（2）相邻三架钢棚架设完成后，在钢棚上方走向铺设木板。木板长度为3.0m，宽度为0.2m，厚度为5mm。木板铺设后在其上方依次铺设金属网、风筒布，并在首尾两架钢棚处支设盒板。如图2所示。

图2 优化后3108 运输巷顶板破碎区支护断面示意图

（3）支护完成后对支护空间注入混凝土，混凝土中水泥、沙子、石子配比为1:2:2，水泥采用强度为42.5R 的硅酸盐水泥。第一组柔模浇筑完成后依次进行第二组柔模浇筑，依次类推直至巷道完全过应力破碎区。

4 结论

（1）与传统M 型钢带相比，JW 型钢带支护断面大，刚度强，不易变形，对破碎、离层顶板起到有效支护作用，解决了传统钢带支护断面小、易断裂且对顶板产生切顶破坏等技术难题。

（2）优化后顶板采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆以及让压拱形垫片，不仅提高了锚杆承压强度及锚杆锚固效果，而且通过让压拱形垫片可实现锚杆让压作用，提高锚杆与变形围岩耦合支护作用，降低了锚杆失效现象。

（3）通过架设钢棚以及柔模浇筑人工施工次生顶板，形成顶板承载梁，进一步提高了破碎区顶板稳定性，防止了破碎顶板出现下沉、断裂、冒落等现象。

（4）截至2018 年8 月28 日3108 运输巷已完全通过顶板破碎区。通过现场观察发现，对巷道破碎区顶板支护优化后，控制了顶板蠕动变形速率，顶板下沉量控制在0.14m 以下，顶板未发生断裂、冒落现象，巷道掘进速率提高至6.7m/d，保证了巷道安全快速掘进。