掘进巷道破碎顶板支护技术应用

孙军权

（山西阳城阳泰集团小西煤业有限公司，山西 晋城 048105）

巷道掘进期间受断层、陷落柱、节理等地质构造影响，破坏巷道围岩稳定性及力学性质，在构造应力及巷道开挖应力作用下，巷道过构造应力区时，巷道围岩出现失稳现象，主要表现在顶板破碎冒落、巷帮片帮等。其中顶板破碎冒落对巷道掘进影响最大，由于顶板破碎区岩体稳定性低、承载能力小，并形成不同深度的围岩松动圈[1]，导致破碎区顶板采用锚杆、锚索支护效果差，顶板控制难度大。本文以小西煤矿3106 巷为例，对巷道掘进期间过断层破碎区时顶板破碎机理进行分析，并提出了合理有效的联合支护技术，力求保证巷道安全快速过破碎区。

1 工程概述

山西阳城阳泰集团小西煤业有限公司3106 巷位于矿井一盘区东侧，巷道西部为盘区大巷，南部为3106 回采区域，北部为实煤区，掘进工作面对应地面范围内无村庄，无公（铁）路。地面标高为+1 152～+1 250 m，井下标高+520～+510 m。

3106 巷从一盘区运输大巷开口施工，巷道沿3#煤层底板掘进，掘进煤层厚度为4.13 m，平均倾角为4°，巷道设计为矩形断面规格，巷道设计长度为2 300 m，设计宽度为4.5 m，设计高度为4.0 m。3106 巷直接顶主要以炭质泥岩为主平均厚度为4.2 m，岩体视密度为3 411 kg/m3，抗压强度24 MPa，抗拉强度1.1 MPa，属半硬岩石；老顶主要以细粒砂岩为主，平均厚度为11.2 m，2 629 kg/m3，抗压强度51.8 MPa，抗拉强度3.6 MPa，属坚硬岩石。

2 巷道掘进地质现状及问题分析

2.1 掘进地质条件

3106 巷地质条件相对简单，主要以断层构造为主。根据 《山西阳城阳泰集团小西煤业有限公司3106 巷掘进地质勘探报告》显示，3106 巷掘进期间共计揭露3 条正断层，分别位于210 m、440 m、800 m处。其中210 m、440 m处揭露的断层最大落差为0.9 m，平均倾角为48°，对巷道掘进影响小；位于800 m处F3断层落差为1.7 m，平均倾角为56°，断层与巷道斜交，夹角为67°，该断层对巷道影响较大，预计影响巷道掘进长度为60 m （770～830 m段），形成断层破碎区。

2.2 巷道掘进现状

3106 巷主要采用综合机械化掘进工艺，巷道顶板主要采用W型钢带、棱形金属网、锚杆、锚索联合支护，截止目前巷道已掘进787 m。

3106 巷掘进至772 m处时，巷道顶板位于两帮肩角煤柱预留困难，出现局部破碎现象，随着巷道掘进碎区域向巷道顶板中部延伸，当巷道掘进至785 m 处时，巷道顶板破碎严重，且伴随着巷道上覆岩层下沉、离层现象，最大下沉量为440mm ，巷道两帮肩角煤柱垮落现象严重，两帮收敛量达820mm。

2.3 主要问题分析

根据现场观察以及总结分析发现，3106 巷在过断层破碎区期间顶板出现破碎下沉、巷帮片帮等现象，其主要原因有以下几方面：

（1）构造应力影响：3106 巷在过F3断层前，断层应力在围岩中处于平衡状态。随着巷道开拓延伸，当巷道掘进至断层影响区时，构造应力通过岩体传递进入开挖空间并进行释放，应力释放过程中对巷道围岩产生剪切破坏作用[2]，使巷道顶板产生裂隙并逐渐形成围岩松动圈，破坏了顶板岩体整体稳定性。

（2）围岩结构影响：由于3106 巷支护时采用液压油钻进行钻孔施工，因钻具对钻孔冲水作用，钻孔施工过程中顶板产生大量淋水。而顶板为黑灰色炭质泥岩，该岩体在水流浸泡作用下会出现软化现象，同时该岩体单轴抗压强度低，岩体成脆性[3]，在应力作用下顶板岩体出现断裂、破碎现象。

（3）支护设计不合理：原支护设计中锚杆、锚索属于主动支护，利用锚杆（索）悬吊作用、组合拱作用实现顶板控制。但在应力顶板中锚杆（索）锚固后应力对杆体钻孔壁岩体产生径向剪切破坏作用，导致锚杆（索）锚固失效现象严重，降低了锚杆（索）支护作用。

3 破碎顶板联合支护设计

为了进一步提高3106 巷断层破碎区顶板稳定性，遏制顶板事故发生，决定对原顶板支护进行优化，并采取“桁架锚索支护+ 支设密集钢棚”联合加强支护，见图1。

图1 3106 巷破碎顶板联合支护断面

3.1 原支护设计优化

（1）钢带优化：为了提高巷道顶板支护截面积，在断层破碎顶板处采用 “JW” 型钢带代替传统的“W”型钢带，JW型钢带长度为3.8 m，宽度为0.28 m，钢带上均匀布置4 个直径为30 mm 支护孔，孔间距为1.2 m，“JW”型钢带支护截面积为1.06 m2，载荷强度为270 MPa。

（2）锚杆布置优化：为了减少支护钻孔数量，降低钻孔施工时对顶板不稳定岩体产生扰动影响，从而产生顶板二次破坏作用，同时为进一步提高肩角煤柱稳定性，优化后顶板由原来的每排5 根锚杆缩减为2 根锚杆2 根锚索，锚索施工在肩角煤柱上，锚索长度为3.5 m，偏角为60°，见图1。

3.2 桁架锚索支护

（1）桁架支护机理：桁架支护属于主动支护，通过对围岩施工两根斜角桁架支护体并利用桁架拉杆对两根支护体施加水平方向的预应力，支护体施加预应力作用力后对煤体产生一个斜向上的反向作用力，该作用力在水平方向和垂直方向分力分别为Fx、Fy，分力Fx可削弱围岩垂直应力破坏作用[4]，从而达到控制围岩稳定性的目的，见图2。

（2）桁架支护结构：3106 巷破碎顶板采用的是桁架锚索支护，锚索直径为21.8 mm，长度为5.3 m；每架桁架锚索支护配套两根桁架圆钢托架，每根托架长度为1.6 m，直径为23 mm；同时配备一根双向张拉器，见图2。

图2 桁架支护原理

（3）桁架支护施工工艺：①首先在巷道破碎顶板处采用锚索钻机施工两根斜角锚索钻孔，孔间距为3.0 m，钻孔深度为5.0 m，钻孔斜角为72°，钻孔施工完后依次对钻孔内注入锚索。②锚索锚注后在其外露段依次安装圆钢托架以及锁具，在两根圆杆托架端头安装一根双向张拉器并预紧，预紧力为270 kN；桁架锚索支护排距为2.0 m。

3.3 架设密集工字钢棚

（1）钢棚支护目的：顶板锚杆、锚索以及桁架支护属于主动支护，当顶板失稳后主动支护锚固效果相对较差，降低了支护性能；而钢棚支护属于被动支护，通过架设钢棚进一步提高顶板稳定性加强主动支护效果。同时钢棚支护可提高顶板应力承载作用[5]，降低了巷帮煤柱应力传递破坏作用，避免巷帮片帮、收敛现象。

（2）钢棚结构组成：钢棚主要由顶梁、棚腿、卡缆、连接杆、底座等部分组成，顶梁长度为4.2 m，棚腿长度为4.0 m，顶梁、棚腿主要有11#工字钢切割而成。

（3）钢棚安装工艺：①3106 巷破碎区安装矩形钢棚排距为1.0 m，钢棚安装顺序为：底座→棚腿→顶梁→连接杆； 钢棚安装后必须牢固可靠，钢棚顶梁与顶板必须接触严实并具有一定的预紧力。②在安装同一家钢棚两根棚腿时必须拉线固定，确保两根棚腿中心线与巷道中线垂直，每根棚腿采用一根锚杆与巷帮进行固定。

4 结语

小西煤矿分析了3106 巷顶板破碎机理，并提出了优化顶板支护设计以及采取“桁架锚索支护+支设密集钢棚”联合加强支护技术，通过实际应用取得了显著应用成效：

1）通过优化原顶板支护设计后，提高了顶板支护断面，加强了肩角煤柱控制维护，通过现场观察发现钢带两端采用斜角锚索后，肩角煤柱稳定性得到有效提高，未发生垮落现象；同时优化后减少了顶板锚杆支护数量，缩短了支护时间，避免了密集钻孔施工时对顶板产生扰动破坏作用。

2）3106巷破碎顶板采用桁架支护后，削弱了应力对顶板破坏作用，防止了围岩松动圈范围进一步扩大，提高了顶板锚杆（索）支护质量。通过实际应用发现，采用桁架支护后顶板下沉量降低为140mm以下，控制顶板离层现象。

3）通过对3106 巷破碎顶板架设密集工字钢棚后，提高了顶板应力承载能力，顶板断裂现象得到有效控制，同时安装钢棚后巷帮煤柱受力变小，两帮收敛量控制在230mm以下，提高了巷道成型率。