掘进巷道过应力破碎带支护设计应用

郭小路

（山西煤炭运销集团野川煤业有限公司，山西 高平 048400）

引言

巷道掘进时会造成原有煤层结构破坏，巷道顶板会形成应力组合梁来降低应力的破坏作用，但在遇到顶板破碎或地质构造复杂的顶板时，外界的采动压力、构造应力会大大降低顶板的稳定性，一旦组合梁承载的支撑力小于矿压时，组合梁承载就会出现变形及断裂，掘进工作面出现顶板下沉的情况，顶板破碎严重时会造成掘进工作面冒顶及垮落，严重威胁工作面的正常生产。本文针对野川煤矿三采区掘进工作面下沉的原因及支护不足，制定出一套合理的锚索梁支护方式。对于野川煤矿三采区胶带巷在掘进至1 200 m 处时，由于断层顶板破碎严重，顶板下沉达到了0.55 m，巷道变形严重，施工人员使用锚索梁支护后取得了较好的支护效果。

1 野川煤矿三采区概述

山西煤炭运销集团野川煤业有限公司三采区胶带巷主要沿3 号煤层底板掘进，水平标高+770～+825 m，位于井田中东部，东边为原乔家沟煤矿3410 采空区，南边为设计三采区回风巷，北边为设计三采区辅助运输巷，西边为二采区胶带巷。

三采区胶带巷设计走向长度1 608 m，工程量为26 790 m3；巷道总体坡度0°～6°，平均坡度4°，预计服务年限为40 个月，主要施工工艺为综掘。巷道设计断面规格为4.0 m×3.5 m，施工巷道沿3 号煤层底板平行掘进，预留顶煤厚度为1.8 m，3 号煤层直接顶主要以泥岩、砂质泥岩为主，平均厚度为2.4 m，基本顶主要以细粒砂岩、粉砂岩为主，平均厚度为17 m，截止目前巷道已掘进1 208 m。

根据野川煤矿地测科提供资料显示，在巷道掘进至1 217 m 处揭露一条F3 正断层，断层落差为1.6 m，倾角为59°，受断层影响巷道掘进至1 200 m处时顶板局部出现破碎现象，当巷道掘进至1 206 m处时顶板破碎严重，采用传统锚杆、金属网维护难度大，锚杆失效率高，顶板大面积出现下沉现象，最大下沉量为0.55 m，巷道掘进效率差，严重制约着巷道安全高效掘进。对此，野川煤矿通过技术研究决定对断层破碎区采取锚索梁加强支护[1-2]。

2 锚索梁支护施工设计

2.1 施工工艺

1）三采区胶带巷采用锚索梁作为主要加强支护方式，锚索梁是由高强度工字钢及锚索组合而成，根据巷道的断面尺寸，钢梁的长度设计为3.8 m，施工人员在每根横梁上施工3 个圆孔，圆孔的直径设计为25 mm，锚索预应力钢绞线的直径与长度设计为21.6 mm 及8.3 m。

2）施工人员首先要采用气动锚索钻机及八字形钻头在距顶板下沉区1.5 m 处施工一个深度为8 m 的钻孔。钻孔之间的距离为1.6 m，且每排打三个钻孔。

3）打完钻孔后，施工人员要在每个钻孔内加装树脂锚固剂及锚索，每个钻孔内要加装三支树脂锚固剂，之后采用锚索机对锚索进行锚固，锚固时间必须大于3 min，同时需确保锚固后锚索外露长度在0.5 m 左右。

4）待第一排锚索全部安装完毕后安装工字钢梁，钢梁与巷道要保持90°的夹角，钢梁与锚索需采用0.3 m 的正方形钢托板及锁具加固，之后再采用锚索张拉机进行预紧。

5）待第一个锚索梁安装完毕后再继续安装后面的锚索梁，锚索梁之间的距离控制在1 m，锚索梁要全部覆盖住整个破碎顶板区域。

6）如顶板出现局部破碎严重及钢梁与顶板不接触的情况时，为了确保锚索梁不失效，工作人员需在钢梁之间安装水泥背板及半圆木，具体如下页图1所示。

图1 三采区胶带巷破碎顶板锚索梁支护断面示意图（未标单位为mm）

2.2 施工技术措施

1）根据巷道顶板的破碎情况，施工人员需选择合理的锚索、钢梁及施工范围。

2）为了确保工作人员的上锚索梁时的安全，施工人员需在施工高度较高的位置搭建工作盘，工作盘需采用圆木进行搭设。

3）为了确保支护的稳定性，钻孔施工时需安排专人对顶板的煤层进行观察，确保钻孔的终端与坚硬顶板接触。

4）锚索钻机在锚固时，工作人员要确保钻机的转速稳定且不停顿，锚固时间必须大于3 min，锚固完成一小时后要进行拉拔力实验，待锚索完成拉拔力实验且合格后再安装钢梁。

5）施工人员要确保安装后的钢梁要与顶板严实接触，同时定期安排专人对钢梁的变形情况进行观察，如发现钢梁变形严重及时采取相应的应急措施。

6）锚索梁全部安装完毕后，工作人员要在破碎严重的区域安装顶板离层仪，同时安排专人进行查看[3-5]。

3 实际应用效果分析

1）三采区胶带巷应力区采用的锚索梁与传统的注浆、钢棚等支护工艺相比，具有安装简单、维护方便、费用小、安装时间快的优点。根据安装费用统计，三采区胶带巷在破碎区域共安装锚索梁23 根，成本费用为0.35 万元，而传统的支护工艺预计费用在2万元左右，降低了支护成本费用；而且锚索梁安装时由3 人安装即可，安装时间在8 h，缩短了支护时间，降低了支护劳动成本费用。

2）三采区胶带巷锚索梁的钻孔深度达到10 m，锚索紧紧地黏接在坚硬岩石上，对整个破碎区域的顶板起到了很好的悬吊效果，防止破碎面积进一步扩大。施工人员经过一个月的观察，巷道破碎顶板采用锚索梁支护后顶板的下沉距离控制在0.2 m，锚索梁有效地防止了破碎顶板出现下沉、破碎现象。

4 结语

野川煤矿针对三采区胶带巷掘进过断层带期间顶板破碎、下沉现象，导致巷道成型质量差，锚杆支护强度低等，通过技术研究决定采用锚索梁支护，通过实际应用效果来看，锚索梁支护具有支护工艺简单、支护效果好、成本费用低等优点，采用该支护后有效控制了三采区胶带巷断层破碎顶板下沉现象，提高了顶板整体稳定性，加快了巷道快速掘进，对类似地质条件巷道顶板支护提供了实践依据，取得了显著的安全性、经济效益。