应力区巷道顶板联合支护技术应用分析

张骏立

（山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

长平煤矿六盘区第一回风巷北部为五盘区采煤工作面切眼（未掘），东部为安家风井及矿界，西部为长平矿界，南部为六盘区第二回风巷（西）（未掘）。其他相邻巷道对本巷道掘进期间无影响。

巷道设计长度为4 098 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.8 m×3.5 m，巷道掘进煤层为3号煤层，开口位置位于六盘区胶轮车北巷西帮，六盘区第二回风巷往北35 m（六盘区第一回风巷中至六盘区第二回风巷中）处，沿3号煤顶板施工75 m后，穿层至3号煤层底部，以K7细粒砂岩作为巷道顶板掘进到位，即施工至盘区边界的终点位置。

第一回风巷采用机械化掘进工艺，截至2019年8月17日巷道已掘进1 570 m。根据长平煤矿地测科提供资料显示，巷道掘进至1 562 m处时巷道进入F5断层应力区，应力区预计长度为31 m。巷道掘进至1 565 m处时顶板出现应力破碎现象，掘进至1 570 m处时顶板破碎严重，原顶板锚杆（索）支护效果差，无法对顶板进行有效支护作用。

1 第一回风巷原顶板支护问题分析

1.1 巷道前期支护方案

第一回风巷前期顶板主要采用锚索、锚杆、钢带联合的支护方式。顶板采用长度与直径分别为2.0 m和20 mm的左旋螺纹锚杆，每排施工5根锚杆，相邻锚杆的距离为1.0 m，相邻两排锚杆的距离为1.1 m；钢带采用高强度钢材制成，长度设计为4.8 m，通过5根锚杆将钢带锚固在顶板上；顶板锚索的长度与直径分别为4.0 m和17.8 mm。

1.2 支护存在的问题

1）支护强度低。根据勘察结果显示，第一回风巷的直接顶的厚度为3.6 m，且煤质松软稳定性较差，在断层煤壁集中应力的作用下，直接顶很容易发生破碎、垮落，且会向煤壁深处延伸。原方案采用的锚杆长度仅为2 m，直接顶的破碎岩体无法对锚杆锚固端起到牢固的悬吊作用，一旦顶板的压力超出了原岩构造应力后，顶板将会发生大面积垮落。

2）锚索锚固效果差。第一回风巷最初设计的锚索长度为4 m，锚索的锚固端处于基本顶与直接顶间，当顶板破碎使得压力增大后，锚固端会发生脱落，导致顶板离层，最终因锚索锚固效果差而造成顶板大面积垮落，发生漏顶事故。

3）顶板稳定性差。第一回风巷前期掘进期间受F5断层的影响，再加上后期的支护效果差，导致顶板发生大面积垮落，而且破碎的区域在不断增加，顶板的稳定性也在下降，巷道的顶板原岩结构被破坏，顶板岩体的承载能力也大大降低，施工人员采用的支护仅仅能起到点性支护作用，无法形成组合梁。

4）钢带承载能力低。第一回风巷初步设计中顶板采用的是“M”型钢带，钢带宽度与厚度分别为0.15 m、3.5 mm，这种规格的钢带无法承载较大的应力，且支护断面较小，当巷道顶板破碎严重时，钢带会无法承载压力发生断裂。

2 应力区联合支护技术应用

为了进一步提高应力区巷道顶板稳定性，保证第一回风巷安全快速过F5断层应力区，决定在巷道顶板永久支护的前提下采用“超前撞楔支护+工字钢棚”的联合支护措施。

2.1 超前撞楔支护

巷道的工作人员在进行永久支护期间，如顶板原岩无法承载顶板压力，很容易造成下面的工作人员被掩埋，因此技术人员为了确保工作人员的生命安全，设计采用以下方式来对顶板进行支护。

1）巷道掘进前，施工人员采用气动钻机在原顶板的位置钻一排撞楔超前支护钻孔；钻孔的走向要与巷道一致，同时要与煤壁保持垂直状态，误差不得大于±2°。

2）施工人员要在每排钻9个钻孔，钻孔的直径、深度分别为0.03 m、3.5 m，相邻钻孔的距离为500 mm，当每排钻孔施工完毕后，工作人员要及时对钻孔内的煤屑进行清理。

3）待钻孔完成后，施工人员要将锚固剂及超前支护体依次放入钻孔内，超前支护体的材质为圆钢，长度与直径分别为4 m、25 mm，锚固后的支护体外露长度不得大于0.5 m，外露端还需安装一根钢带将顶板与超前支护体进行固定。

4）待第一排钻孔完成施工后，掘进机在掘进时要将截割头高度降低半米，当掘进机掘进后，在超前支护的支护下采用锚杆、锚索进行永久支护。

5）待掘进机推进3 m后进行第二排超前支护的施工，前后两排要呈交错嵌入式，嵌入深度不得低于0.5 m，并采用钢带对嵌头处进行固定。按照以上工序依次完成后期的支护工作，直至完全通过断层区域，如图1所示。

图1 第一回风巷断层应力区顶板联合支护断面示意图（mm）

2.2 架设矩形工字钢棚

1）为了避免掘进工作面发生离层、下沉现象，巷道掘进后在滞后巷道的迎头5.0 m处开始架设密集矩形工字钢棚。工字钢棚主要是由以下部件组成：顶梁、顶护板、连接杆、底座、棚腿、卡兰。

2）根据资料显示，第一回风巷底板主要为炭质泥岩，煤质比较松软，施工人员首先要使用风镐对松软的底板进行起底，起底的深度和宽度均为0.3 m，长度可以根据具体顶板的破碎距离及工字钢棚的数量决定，完成后使用混凝土对起底部分进行浇筑。

3）当施工人员将棚腿底座安装完毕后，在底座上分别安装两根棚腿，并用螺栓进行固定。棚腿与顶梁要采用卡兰进行固定，固定后的预紧力不得低于150 N·m。

4）相邻钢棚架设距离为1.0 m，当施工人员将所有钢棚架安装完毕后，需采用两组连接杆将两架钢棚棚腿进行固定，来提高钢棚的整体稳定性，此外还需在相邻钢棚的顶梁间填补5块规格为1.0 m×0.5 m的水泥护板，确保护板与顶板间接触严密。

3 结语

1）巷道采用撞楔支护后，顶板距离增加了原来的一倍，破碎区域的顶板下沉量大大减小，且未出现顶板大面积破碎垮落的现象，确保了巷道的支护安全，巷道的掘进速度也提高到现在的9.5 m/d，是原来掘进速度的两倍，为后期工作面的设备稳装节约了大量的时间。

2）通过钢棚支护与永久支护对破碎顶板进行支护，改变了传统单一的支护方式，采用主动与被动相结合的新方式，大大提高了巷道的支护效果。技术人员对支护后的巷道离层情况进行记录，架设工字钢棚后顶板下沉量为0.11 m/d，而且随着掘进的延伸下沉量越来越小。