全煤巷破碎应力区支护技术应用

胡亚琴

（山西焦煤霍州煤电职教中心，山西 霍州 031400）

掘进巷道过地质构造、采空区等集中应力带时，围岩出现应力显现现象，如顶板下沉、断裂，两帮破碎，底板鼓起等，不仅增加围岩控制难度，降低支护效果，而且很容易出现顶板冒漏事故，威胁着巷道掘进安全。目前针对应力区巷道围岩主要采用补打密集锚杆（索）、架设工字钢棚以及注浆等进行控制维护。但应力破碎围岩采用锚杆（索）支护时，破碎围岩“松动圈”范围扩展至锚固段时，锚固效果差、支护失效率高，达不到预期支护效果；工字钢棚支护工艺简单、成本费用低，但由于工字钢支护截面积小，支护效果差，易出现变形，工字钢梁两侧腰线很容易对围岩产生破坏作用；注浆支护能够快速对破碎围岩进行粘接、加固，局部围岩注浆加固效果好，但是对整体围岩控制效果差。因此，对应力区围岩采取合理有效的联合支护技术，对围岩变形控制，提高应力区围岩掘进效率具有重要意义。本文以三交河煤矿203 运输顺槽为研究背景，根据巷道掘进期间过应力区围岩破碎机理，提出了“注浆加固+桁架锚索+π 型钢棚”联合支护技术[1-6]，确保巷道安全快速过应力区。

1 概况

霍州煤电集团三交河煤矿203 运输顺槽布置在+850 m 水平南翼，巷道沿10#煤层底板掘进，巷道西部为205 准备工作面，东部为201 采空区。10#煤层厚度1.6～2.0 m，平均1.8 m，煤层结构：1.0～1.75（0.1～0.62）0.4～1.1，煤层倾角变化范围为5°，在煤层底部及中部各含一层泥岩夹矸。煤层顶底板岩性见表1。

203运输顺槽在掘进期间共计揭露3条正断层，断层编号为F1、F2、F3，3 条断层位置分别位于巷道240 m、560 m 以及1120 m 处。其中，断层F1落差为1.7 m，倾角为52°，对掘进影响较大；F2断层落差为1.0 m，倾角为57°，对掘进影响较大；F3 断层落差为0.7 m，倾角为54°，对巷道掘进影响相对较小。

2 巷道支护设计及掘进现状[7-10]

2.1 巷道原支护技术

2.1.1 顶板支护方案

1）原支护设计中顶板采用屈服强度为500 MPa的螺纹钢锚杆支护，杆体直径为22 mm，杆体两侧采用无纵筋结构增加杆体与锚固剂摩擦搅拌作用，锚杆与顶板岩面垂直布置，每排5 根，同一排施工间距为1.0 m，相邻两排施工排距为1.1 m。

2）同一排锚杆外露端安装W 型钢带作为顶板岩体承载机构，钢带长度为4.5 m，宽度为0.25 m，横截面设置为W 型增加钢带抗弯曲强度。

3）顶板锚索采用单点线性布置方式，每排布置3 根，锚索采用“九股一芯”反麻花式预应力钢绞线，外股钢丝直径为5.2 mm，内芯直径为6.3 mm，钢绞线屈服强度为1860 MPa，布置间距1.3 m，排距为3.0 m，锚索外露端安装拱形垫片及锁具进行预紧。

2.1.2 巷帮支护方案

203 运输顺槽两帮主要采用“单锚杆+小钢带+金属网”联合支护方式。采用屈服强度为335 MPa的圆钢锚杆，杆体直径为20 mm，每排布置3根，锚杆布置间距为1.0 m，其中中部锚杆垂直巷帮布置，顶底侧锚杆分别以15°俯斜角布置，锚杆端头安装一块长度为0.45 m、宽度为0.25 m 横截面呈“W”小钢带。

2.2 巷道掘进现状

203 运输顺槽采用综合机械化掘进工艺，掘进至241 m 处时巷道迎头已全部揭露F1 断层，其中掘进前方为下降盘，工作面顶板往下1.7 m 范围内主要为泥岩、煤线混合岩层，岩层整体稳定性差，巷道在掘进过程中出现岩体分层垮落，顶板出现“网包”，两帮片帮严重，顶板下沉、离层，局部锚杆出现破断现象。通过现场观察发现，巷道揭露断层后在第三天围岩开始出现蠕动变形现象，实测顶板最大下沉量为0.47 m，两帮与顶板之间的肩角煤柱垮落严重，两帮最大移进量0.78 m。

2.3 围岩破碎机理

根据现场观察发现，分别从围岩特性、构造应力、支护强度等几方面分析围岩破碎机理。

1）围岩稳定性差。203 运输顺槽掘进的10#煤层整体稳定性差，煤层内含2～3 层以泥岩为主的夹矸，破坏了煤体连续稳定性，煤体结矸率及承载强度低。对10#煤层取样进行单轴抗压强度试验，10#煤层平均单轴抗压强度不足15 MPa，煤体易破碎。

2）集中应力破坏。203 运输顺槽东部为201 采空区，预留保安煤柱宽度为27 m。由于受采空区垮落影响，采空区顶板产生裂隙带并向203 运输顺槽内延伸，形成应力传递通道。203 运输顺槽揭露F1断层后，在采空区残余应力以及构造应力共同作用下，在断层区形成应力集中区，并通过断层带以及围岩裂隙进行释放，从而对围岩产生应力剪切破坏作用。

3）支护强度低。原巷道围岩主要采用锚杆（索）、钢带进行支护，属于主动支护，采用端头锚固方式，在集中应力区围岩存在多向应力作用，采用传统锚杆（索）支护时锚固段围岩破碎严重，导致锚固失效。同时，在破碎围岩中锚杆（索）支护过程中形成的应力梁结构稳定性差，且无法连续稳定传递至深部围岩中，导致支护效果差、支护失效率高。

3 断层应力区支护优化

为了解决 203 运输顺槽过断层期间围岩变形严重、支护难度大等问题，决定对应力区顶板支护进行优化。

3.1 注浆加固

3.1.1 注浆加固目的

巷道掘进后使原岩应力状态由原来的四向应力变为三向应力，围岩应力在重新分配过程中在巷道开挖空间内形成应力卸压空间，围岩出现蠕动变形，及时采用锚杆(索）支护时对围岩变形进行有效控制，但是当巷道揭露断层后构造应力卸压作用对围岩产生二次破坏，导致围岩内部岩体裂隙发育，且出现围岩“松动圈”。随着应力持续作用，“松动圈”范围不断扩大，从而导致顶板破碎，煤帮垮落等。

注浆加固技术主要对松散围岩施工注浆孔，对孔内高压注入水泥砂浆、马丽散、聚氨酯等注浆材料，注浆材料在岩体裂隙带内扩散，一方面排挤裂隙带空气，防止煤体氧化作用，另一方面注浆材料对裂隙围岩进行粘接并形成网络骨架，提高了围岩韧性及抗压强度。

3.1.2 注浆工序

1）注浆钻孔布置在揭露断层后的岩面上，每组钻孔4 个，钻孔深度为6.0 m，所有钻孔以30°上山角布置，中部2 个钻孔水平角为0°，两侧钻孔分别以30°水平角布置。

2）注浆钻孔施工完后，对钻孔内安装后注浆管路，在注浆管路外露端分别安装压力表、控制阀门、混合器并与ZBQ-27/1.5 气动双液注浆泵连接，注浆泵连接2 个注浆桶。如图1。

3）注浆钻孔施工完后，采用专用注浆泵对钻孔进行注浆施工。由于传统马丽散、聚氨酯等有机注浆材料在施工过程产生大量热量、污染环境且成本费用高，所以决定采用水泥砂浆与水玻璃混合无机注浆材料。

3.2 桁架锚索支护

3.2.1 支护原理

巷道开挖后围岩由原来的四向应力变为三向应力，两帮煤柱受水平剪应力影响，顶板受垂直剪应力影响，而原围岩采用的锚杆（索）支护无法对围岩内部应力消除或削弱作用，从而导致支护后支护体失效严重。

桁架锚索支护是在应力区围岩施工2 根对称斜角锚索，并对对角锚索施加水平张拉应力，斜角锚索在张拉应力作用下产生一个垂直向上和水平分力，从而对巷帮煤柱及顶板应力起到削弱作用，如图2。

图2 桁架锚索支护原理图

3.2.2 桁架锚索支护工序

1）桁架锚索支护时，锚索布置斜角对围岩支护效果起着重要作用。根据203 运输巷围岩应力情况，桁架锚索布置斜角设置为85°。为了保证锚索锚固段锚固在坚硬顶板上，锚索长度为5.3 m，直径为21.6 mm。

2）桁架锚索与顶板钢带平行布置，布置间距为2.0 m。同一排下角锚索安装后在其外露端安装2根圆钢拉杆和1 个张拉器。

3.3 π 型钢棚支护

1）203 运输顺槽从235 m 处开始架设π 型钢棚，钢棚通过矩形工字钢棚改良而成，钢棚由U29 棚腿、π 型顶梁、底座等部分组成。棚腿长度为3.0 m，棚腿底部1.5 m 处各焊制一个锚杆固定孔；顶梁主要由槽钢横梁和弧形梁组成，弧形两端各焊制2 个直径为20 mm 螺母固定孔。如图3。

图3 203 运输顺槽应力区支护断面示意图（mm）

2）钢棚施工工序如下：① 架设钢棚前需对巷帮及顶板破碎围岩进行加强支护，对架棚底板进行整平，将需要架设的钢棚各配件运送至指定地点；② 钢棚架设顺序为底座→棚腿→π 型顶梁→连接杆；③ 钢棚架设间距为1.0 m，钢棚安装后必须保证顶梁与破碎顶板接触严实。

3.4 应用效果

截至3 月26 日203 运输顺槽已通过了断层应力区，通过对应力区顶板采取注浆、桁架锚索以及钢棚等支护，取得了以下显著成效：

1）降低了支护成本费用。过应力区采用传统锚杆（索）支护时，受应力影响顶板锚杆、锚索出现严重破断现象，且顶板需重新挑顶补打支护，50 m 应力区预计需重新补打锚杆80 套，锚索50 套，挑顶长度达20 m，支护成本及人工费用达20.7 万元。

2）提高巷道掘进效率。203 运输顺槽在前期掘进过程中由于受围岩变形影响，巷道掘进效率低，平均掘进量为2.5 m/d，而采用联合支护技术后围岩变形得到了有效控制，平均掘进量为4.8 m/d，大大提高了巷道掘进效率。

3）控制了围岩变形。203 运输顺槽应力区采取联合控制技术后，通过围岩监测仪监测数据发现，顶板最大下沉量为0.18 m，两帮收敛最大量为0.24 m，有效提高了巷道成型效果。

4 结语

203 运输顺槽在掘进过断层期间围岩受构造应力影响，出现围岩变形现象，通过对应力区围岩采取联合支护技术后，成功解决了断层区围岩支护难度大、控制效果差等技术难题，为后期巷道过F2、F4 断层时围岩支护设计提供了实践依据，取得了显著成效。