掘进巷道过应力区支护优化设计

贾雅雅

（晋能控股煤业集团同忻煤矿山西有限公司，山西 大同 037000）

引言

巷道掘进过程中受断层影响，破坏了原岩整体力学结构，导致巷道掘进过程中出现应力显现现象，主要表现在煤壁片帮、顶板破碎等，而传统采用的锚杆（索）支护只可对围岩表层进行有效支护和控制作用，一旦围岩受应力破坏作用，出现围岩松动圈后，支护在松动圈内不仅支护难度大，而且支护质量差，对破碎围岩很难达到有效控制作用，所以对于应力区围岩出现应力显现时，必须合理分析围岩受力情况以及围岩出现破坏的机理，然后根据生产实际情况采取合理有效的联合支护技术，只有这样才能保证巷道安全快速掘进，避免顶板事故发生。

1 同忻煤矿5210 巷概述

晋能控股煤业集团同忻煤矿山西有限公司5210 巷上覆为同家梁矿14 号层采空区集中大巷，层间距180～220 m，东部为二盘区辅运、皮带、回风大巷，南部、西部均为实煤区，5210 巷道北部为8305工作面采空区（预计有积水10 万m3），水平距离5.0 m，巷道掘进受同层水、小煤柱破碎及上覆集中大巷煤柱影响。5210 巷设计长度为855 m，巷道设计断面规格为宽×高=5.2 m×4.0 m，巷道掘进煤层为3-5 号煤层中，煤层厚度为6.59～15.88 m，平均煤厚12.54 m，3-5 号煤层顶底板主要以泥岩为主，如表1 所示。

表1 3-5 号煤层顶底板岩性汇总表

5210 巷采用综合机械化掘进工艺，截止目前巷道已掘进462 m，通过钻探发现巷道掘进至472 m处巷道将揭露一条F4 正断层，断层落差为2.2 m，倾角为52°，受F4 断层影响，巷道掘进至450 m 处时顶板出现破碎现象，主要表现在顶板稳定性差、局部破碎以及支护效果差等，当巷道掘进至462 m 处时，巷道出现第一次冒漏，冒漏高度为1.2 m，顶板采用传统锚杆（索）支护失效率高，无法满足应力区巷道围岩支护要求[1-2]。

2 应力区巷道围岩破碎机理

1）断层残余应力破坏作用。5210 巷在掘进前F4断层应力在围岩内部未进行释放，当巷道掘进至断层附近时，巷道为构造应力创造了释放空间，断层应力沿煤体向巷道内传递，应力在传递过程中对围岩产生裂隙扩张破坏作用，且随着应力传递，裂隙带向巷道内延伸，导致巷道顶板出现高密度裂隙区，并在巷道顶板形成围岩松动圈，降低了围岩稳定性，加剧了顶板破碎力度。

2）围岩稳定性差。5210 巷预留顶煤厚度为8.54 m，3-5 号煤层结构复杂，煤层稳定性差，煤体单轴抗压强度不足20 MPa，顶煤在应力作用下很容易产生裂隙破碎现象，从而降低了原顶板承载能力，破坏了顶板力学结构。

3）支护强度低。5210 巷原顶板主要采用“锚杆+锚索+W 钢带+组合锚索+金属网”联合支护，顶板锚杆长度为2.8 m，直径为22 mm，而顶煤在构造应力作用下顶板形成围岩松动圈，松动圈深度达2.4 m，原顶板锚杆锚固段位于松动圈内，锚杆锚固效果差，导致锚杆支护质量差、支护失效率高等，原顶板支护设计无法满足应力区围岩支护需求。

3 应力区巷道支护优化

为了保证巷道安全快速过F8 断层应力区，同忻矿通过技术研究，对原支护进行合理优化。

3.1 对原锚杆和钢带支护进行优化

为了实现支护体能够适应应力区顶板蠕动变形现象，实现支护体耦合支护作用，对原锚杆、钢带支护进行合理优化。

1）优化后顶板每排布置7 根长度为3.5 m的锚索代替原锚杆，锚索直径为21.8mm，锚索间距为0.8m，排距为0.9 m，每根锚索采用三支锚固剂进行锚固，锚固力不得低于470 kN，预紧力不得低于290 kN。

2）每排锚索施工完后，在同一排锚索锚索外露端安装一根长度为4.6 m“JW”型钢带，钢带宽度为0.33 m，厚度为6 mm，相比“W”型钢带，该钢带支护截面积大，且对顶板不会产生切顶破坏作用；原巷道顶板锚索支护设计不变。

3.2 对破碎顶板进行桁架锚索支护

为了降低垂直应力对顶板的垂直破坏作用，保证顶板锚杆（索）支护后预应力能够被稳定持续地传递至破碎围岩中，决定对破碎顶板施工桁架锚索支护。

1）每架桁架锚索支护主要由两根锚索、两根桁架拉杆、一个张拉器组成；锚索长度及强度支架关系着桁架支护效果，通过拉拔试验决定采用长度为4.0m，直径为21.8 mm的锚索，该锚索最大破断力为583kN，延展率为13%。

2）桁架锚索支护施工在两排JW型钢带之间间隙顶板上，该支护施工排距为2.7 m，首先在顶板施工两个锚索支护孔，孔间距为2.5 m，两个支护孔对称布置，孔深度为4.0 m，直径为28 mm，与顶板斜角为65°。

3）支护孔施工完后依次安装锚索，并在锚索外露端安装桁架拉杆以及张拉器，并对两根锚索施加水平预紧力，锚索施加预紧力后在垂直钻孔壁方向产生斜向上的应力，该应力可对顶板垂直应力起到削弱作用，支护原理如图1 所示。

图1 5210 巷应力区顶板联合支护断面示意图（单位：mm）

3.3 在应力区巷道架设密集联锁梯形钢棚，形成联锁梯形梁支护

为了进一步加强顶板稳定性，构造顶板稳定的承载梁结构，决定在应力区巷道内架设密集联锁梯形梁钢棚。

1）联锁梯形梁钢棚主要由棚腿、棚腿固定座、梯形顶梁、卡缆、联锁拉杆等部分组成，棚腿采用U29型钢制成，每节棚腿长度为2.5 m，采用卡缆进行固定；顶梁采用13 号槽钢焊制而成，宽度为0.4 m，长度为5.2 m。

2）梯形梁钢棚安装间距为1.5 m，相邻两节钢棚安装后采用九组联锁拉杆进行固定，其中棚腿与顶顶梁各三组，对于顶板破碎区，若顶梁与顶板接触不严实可采用水泥背板进行填充。

3）与传统矩形工字钢棚相比，梯形梁钢棚具有支护断面大、顶梁承载能力强、不易变形等优点，可适用于大应力采掘工作面中[3-5]。

4 优化后应用效果

截至2020 年12 月23 日，5210 巷已掘进至520 m处，对5210 巷断层应力区采取联合支护设计后，通过30 d 现场观察发现，联合支护后0～7 d 范围内，顶板蠕动变形相对严重，顶板支护与围岩未达到完全耦合支护作用，顶板出现短时间下沉现象，下沉量为0.09 m；在7～19 d 范围内，顶板蠕动变形现象逐渐减弱，联合支护对变形顶板逐渐起到耦合支护作用，顶板在该时间段内下沉总量为0.05 m；在19 d 后顶板达到完全控制作用，顶板下沉量趋于零，在此期间顶板未出现破碎、冒落现象，取得了显著应用成效。