復雜條件下掘進巷道支護設計分析

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摘要：為了解決復雜條件下巷道頂板支護難度大、支護失效率高、支護效果差等技術難題，龍頂山煤礦通過技術研究，對9102運輸順槽掘進過F2斷層期間原頂板支護主要存在的問題進行分析，并根據實際生產情況，對原支護進行優化，提出了“大錨桿+梯形錨棚”聯合支護，通過實際應用效果來看，聯合支護有效控制斷層處頂板破碎現象，取得了顯著應用成效。

關鍵詞：復雜條件；巷道支護；優化設計；應用分析

1概述

山西高平科興龍頂山煤業有限公司9102運輸順槽位于井田901采區，巷道設計長度為2323m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.8m×2.6m，巷道沿9#煤層頂板進行掘進。9102運輸順槽位于太原組中部，上距K7細砂巖39.94m，上距3號煤層50~67.66m，平均58.39m，下距15號煤層30.94~49.55m，平均37.75m。煤層厚度0~2.02m，平均1.60m，為中厚煤層，一般不含夾矸，為大部分可采的較穩定煤層，井田內中南部風化剝蝕，在井田中部、東部出現不可采或沉積缺失。煤層頂板多為泥巖、砂質泥巖、少量為細砂巖、鋁土泥巖，底板多為泥巖、砂質泥巖，少量為細砂巖、粉砂巖。9102運輸順采用EBZ150型掘進機掘進，截止2020年4月9102運輸順槽已掘進至780m處，巷道掘進至772m處揭露一條F2正斷層，斷層落差為1.7m，傾角為53°，斷層與巷道夾角為79°，受F2斷層影響，巷道掘進至760m巷道頂板出現破碎險情，原頂板采用錨桿索支護效果差、支護難度大，局部頂板出現冒落現象，威脅著巷道安全快速掘進。

2原巷道頂板支護設計及問題分析

2.1原頂板支護設計

2.1.1臨時支護

9102運輸順槽掘進期間采用錨桿下掛吊環，吊環內穿金屬管作為前探梁，前探梁上放置木板和金屬網，以構木與木鍥進行背緊的臨時支護形式。吊環采用?100mm×4.5mm的鐵管制作而成，配?18mm的高強螺帽周圍雙層焊接，吊環擰緊在已打設安裝完畢的錨桿上。前探梁采用2根長3m、?90mm×5mm的鋼管按錨桿間排距均勻懸吊于巷道頂部錨桿上，每根前探梁用2個吊環固定。

2.1.2永久支護

該掘進工作面采用錨網索支護作為永久支護，巷道頂板采用左旋螺紋鋼高強錨桿、錨索、6#鋼筋網聯合支護；煤柱側巷幫采用高強度圓鋼錨桿、6#鋼筋網聯合支護，回采側巷幫采用玻璃鋼錨桿、阻燃塑料網聯合支護。（1）9102運輸順槽頂板采用左旋螺紋鋼高強錨桿，長度為2.4m，直徑為22mm，桿體屈服強度為335MPa，極限強度為400MPa，錨尾進行強化熱處理，屈服強度不小于桿體[1]，延伸率大于15%，桿尾螺紋規格M22，采用滾壓加工工藝成型，每排布置6根，錨桿間距為0.9m，排距為1.0m，每排錨桿外露端安裝一根長度為4.8m“M”型鋼帶。（2）9102運輸順槽頂板錨索采用“二?一?二”布置方式，排距為3.0m，錨索長度為4.3m，直徑為17.8mm，錨索間距為3.0m，每根錨索外露端安裝一根長度為0.8m工字鋼梁。

2.2支護問題分析

當頂板相對穩定時，原頂板支護滿足實際需求，但是9102運輸順槽過F2斷層期間，施工條件相對復雜，原支護在斷層應力區應用存在很多技術難題，主要表現在以下幾方面：（1）錨桿支護長度不足：原頂板錨桿長度為2.4m，錨固長度為0.6m，巷道在過F2斷層期間頂板受應力作用出現破碎現象[2]，頂板裂隙帶高度發育，導致頂板往上3.0范圍內巖體穩定性差，在該區域采用長度為2.4m錨桿支護時不僅鉆孔施工難度大、錨固效果差，而且錨桿無法對破碎區域實現懸吊支護作用。（2）錨索支護強度低：原頂板支護設計中錨索長度為4.3m，而錨桿長度為2.4m，錨索與錨桿支護預應力疊加，起不到對頂板整體加固作用[3]。（3）支護托盤支護截面積小：原支護設計中同一排錨桿外露端安裝一根長度為4.8m“M”型鋼帶，該鋼帶寬度為0.15m，厚度為3mm，鋼帶不僅支護強度低，而且支護截面積小，無法對破碎頂板起到有效錨托作用。

3頂板支護優化設計

為了保證9102運輸順槽安全快速過F2斷層應力區，提高頂板整體穩定性，決定對原頂板支護進行優化。

3.1大錨桿支護

為了解決原支護設計中錨桿支護不足的技術難題，提高錨桿的懸吊支護作用，決定對原錨桿支護進行優化，采用大錨桿支護。（1）大錨桿主要為長度為3.5m，直徑為28mm高強度鋼錨桿，錨桿屈服強度為478MPa，極限強度為520MPa，每根錨桿采用三支錨固劑錨固[4]，其中快速（MSK23/35型）錨固劑2支，中速（MSZ23/60型）錨固劑1支，錨固力不低于270kN,預緊力不低于400N?m。（2）為了避免頂板在施工密集支護孔時對頂板產生擾動破壞作用加劇了頂板破碎力度，原頂板錨桿支護優化后每排由6根錨桿縮減為5根，錨桿間距為1.1m，排距為1.0m；錨桿垂直頂板布置。（3）為了提高錨桿托盤支護強度及支護面積，優化后頂板錨桿外露端安裝一根長度為4.8m“JW”型鋼帶，鋼帶由高錳鋼焊制而成，鋼帶厚度為4.5mm，寬度為0.32m，鋼帶抗剪強度為340MPa，該鋼帶相比M型鋼帶具有支護截面積大、強度高、變形率低等優點[5]。

3.2梯形錨棚支護

為了進一步提高巷道頂板錨索支護效果，控制巷道直接頂穩定性，決定在對原巷道頂板單錨索支護進行優化，采用梯形錨棚支護。（1）與傳統單錨索支護不同，梯形錨棚支護實現了同一排錨索聯鎖支護作用，9102運輸順槽斷層處頂板施工的梯形錨棚支護主要由梯形托架、3根恒阻錨索組成。（2）梯形托架主要由3根長度為4.8m，直徑為18mm圓鋼焊接而成，梯形托架寬度為0.45m，梯形托架兩端及中部焊接一個長及寬為0.3m鋼板，鋼板中部焊接一個直徑為27mm支護孔。恒阻錨索長度為6.7m，直徑為21.8mm。（3）首先在破碎巷道頂板施工3根錨索鉆孔，鉆孔深度為6.7m，直徑為30mm，鉆孔間距為1.5m，鉆孔施工完后對鉆孔內錨注三根錨索，然后在外露端安裝梯形托架，并采用鎖具進行預緊；梯形錨棚施工排距為2.0m。

4結束語

截止2020年4月12日9102運輸順槽已掘進至840m且完全過F2斷層影響地段，通過對斷層破碎區頂板支護進行優化后，巷道后期過F2斷層應力區時頂板破碎現象得到了有效控制，避免了應斷層影響導致頂板垮落事故，大大提高了巷道頂板支護效果及頂板穩定性，取得了顯著應用成效。

作者：劉植寧 單位：山西高平科興龍頂山煤業有限公司