15102 运输顺槽破碎顶板支护优化应用

姚锦飞

（晋能控股煤业集团华阳煤矿，山西 晋城 048000）

巷道掘进过程中受上覆岩层重力、构造应力、掘进扰动等影响，巷道围岩出现变形、破碎现象[1-5]，如两帮破碎、 垮落，底板鼓起以及顶板下沉破碎等；当顶板出现变形破碎后，顶板承载梁结构稳定性降低，顶板极易出现垮落现象[6]。 对于破碎顶板主要采用锚杆（索）+钢带联合支护，而顶板破碎后形成围岩松动圈，传统锚杆（索）支护锚固段位于松动圈内，导致支护失效现象严重[7]；同时由于M型支护钢带在大应力顶板中支护强度低，出现变形、断裂现象，达不到有效支护效果。 所以对于应力区顶板采取合理有效地支护技术，对巷道快速过应力区，防止顶板事故发生具有重要意义[8]。 本文以华阳煤矿15102 运输顺槽为研究对象，对巷道掘进过断层破碎带时原顶板支护设计主要存在问题进行探讨，并进行合理优化，提出JW型锚索梁棚支护。

1 工程概况

晋能控股煤业集团华阳煤矿15102 运输顺槽位于井田一采区，北侧为井田边界线，巷道南临15#煤轨道大巷，西侧距离15101 采煤工作面170 m，东侧为原常庄煤矿老巷。

15102 运输顺槽沿15#煤层顶板掘进，水平标高为+658 m。 巷道采用矩形断面，预计坡度为-2°～0°，沿中线掘进，无腰线。 开口位置于15#煤运输大巷与总轨道大巷交岔点向西178 m 处（中至中），在巷道北帮开口，开口方位角为359°05′45″；15#煤层厚度2.25～3.25 m，平均2.78 m，煤层厚度变化不大，含0～5 层夹矸，属结构简单—复杂、稳定可采的中厚煤层。 坚固性系数（f）为2。 15 号煤层位于太原组下部K2灰岩下，上距9 号煤层底板28 m，下距K1砂岩顶5 m。15102 运输顺槽沿15#煤层顶板破底掘进，顶板为K2灰岩；底板为粉砂岩、泥岩、铝土泥岩。

15102 运输顺槽设计长度为1 620 m，断面为矩形断面，净宽×净高为4.5 m×3.5 m，巷道采用综合机械化掘进工艺，截至目前巷道已掘进至569 m，巷道掘进至560 m 处时揭露一条F8正断层，断层落差为19 m，倾角为56°，断层侵入后导致巷道顶板出现破碎现象，巷道在560～569 m 范围内顶板支护失效现象严重，威胁着巷道安全快速掘进。

2 巷道原支护设计及问题分析

2.1 原巷道支护设计

（1）开口处与交岔点采用顶部锚索加强支护，锚索规格为φ17.8 mm 的7 股钢绞线，长度6.3 m，钻孔深度6.0 m，外露长度150～250 mm，间距3.0 m，每排布置3 根且垂直顶板岩面；每根锚索采用一卷CK2335 型树脂锚固剂和两卷K2360 型树脂锚固剂。

（2）顶锚杆为MSGLW-335/20×2400 左旋螺纹钢（25MnSi)，直径为20 mm，长度为2.4 m，顶锚杆钻孔深度2.35 m，外露丝扣长度10～50 mm，间距×排距为1.0 m×1.2 m，每排5 根锚杆，靠近两帮的锚杆距离巷帮250 mm，中间一根锚杆与锚索均沿巷道中线布置，每排锚杆外露端安装一根长度为4.5 m，宽度为0.15 m，厚度为3.75 mm的“M”型钢带，如图1 所示。

图1 9102 运输顺槽原支护断面

（3）帮锚杆为MSGLW-335/20×2000 左旋螺纹钢锚杆，直径为20 mm，长度为2.0 m，钻孔深度1.95 m，排间距为1.2 m，每排3 根锚杆，顶帮锚杆距离顶板距离为0.5 m，上下两根锚杆向顶底板倾斜不大于15°，中部锚杆垂直巷帮布置。

（4）顶板锚索采用SKP18-1/1860 型钢绞线，长度为4.5 m，直径为17.8 mm，每排布置3 根，锚索间距为1.6 m，排距为3.0 m，每根锚索外露端安装一块厚度为16 mm 穹形锚索托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm。

2.2 原支护存在的主要问题

原顶板主要采用单锚杆支护，锚杆长度为2.4 m，每排布置5 根，锚杆采用端头锚固方式，每根锚杆采用CK2335 和K2360 锚固剂各一支，安装锚固剂时，CK2335 在前，K2360 在后，设计锚固力105 kN，预紧扭矩不低于200 N·m；巷道在过F8断层期间，断层破坏了原煤岩层连续稳定结构，导致两盘侧煤岩体在空间上产生位移，构造应力在断层面处出现应力释放现象，在应力释放过程中对两盘岩体产生剪切破坏作用，导致两盘岩体破碎严重，形成松动圈；随着应力持续作用，应力圈范围不断扩大，而原顶板支护锚杆锚固段位于松动圈内，致使锚杆锚固失效现象严重。

同时原顶板锚杆（索）支护时，同一排支护体采用托板进行预紧，托板支护面积小、 支护强度低，且当顶板出现破碎、下沉时托板无法对大面积围岩进行有效支护。

3 应力区顶板支护优化

3.1 JW型锚索梁棚施工

为了解决提高巷道断层区顶板支护质量，控制顶板下沉、破碎现象，华阳煤矿通过技术研究决定对原支护进行优化。

（1）支护优化后顶板采用JW 型型锚棚支护。该支护主要由JW型钢梁和恒阻锚索等部分组成，其中，JW 型钢梁长度为4.2 m，宽度为0.32 m，厚度为5 mm，钢梁横截面成“JW”型，如图2 所示；该钢梁主要通过模具一次性浇筑而成，钢梁最大承载强度为1 280 MPa，重量为22.7 kg/m，钢梁上均匀布置5 个支护孔，孔间距为1.0 m。

图2 优化后顶板支护

（2）恒阻锚索长度为6.3 m，直径为21.8 mm，锚索抗拉强度为1 890 MPa，延展率为30%，每架锚索钢梁配套5 根恒阻锚索。

（3）JW 型锚索梁棚具体施工工序如下： 施工锚索钻孔→锚注恒阻锚索→安装JW型钢梁→锁具预紧；JW 型锚索梁棚施工排距为1.2 m，在施工过程中若顶板破碎不平，钢梁与顶板无法接触时，可采用道木、木板对间隙处进行填充。

3.2 JW型锚索梁棚施工注意事项

（1）为了提高恒阻锚索锚固效果，每根锚索应采用三支锚固剂锚固[9]，其中两支MSK23/35 型（快速）、一支MSZ23/60 型（中速），锚索锚固长度不低于1.3 m，锚固力不低于290 kN。

（2）锚索施工后保证外露长度控制在0.15～0.25 m 范围内，锚索垂直顶板布置，垂直角允许偏差为5°，锚索间排距必须符合施工设计要求。

（3）JW 型钢梁安装后及时对所有锁具进行预紧，预紧力不得低于220 kN，预紧后必须保证JW型钢梁与顶板接触严实[10]；若局部顶板出现破碎导致钢梁无法接顶时，必须在间隙处填充水泥背板或道木。

（4）在进行JW型锚索梁棚支护时，若顶板破碎严重，出现冒漏现象，应及时对破碎区采取注浆加固，待围岩稳定后方可继续支护，防止锚索梁棚施工期间出现顶板垮落事故。

（5）JW 型锚索梁棚施工后应每班安排专人对支护区围岩变形情况、支护变形情况进行检查，发现锚索梁棚变形、断裂等支护失效现象时，必须及时补打。

3.3 JW型锚索梁棚优缺点

（1）支护强度高：与原锚杆支护相比，JW 型锚索梁支护全部采用恒阻锚索支护，锚索锚固段位于顶板稳定岩体内，解决了传统锚杆长度小，锚固段位于松动圈内出现锚固失效等技术难题，同时支护机构采用JW 型钢梁，钢梁承载强度大。

（2）钢梁不易变形：与原M 型、W 型钢带相比，JW 型钢梁支护宽度大、支护强度高，在应力区支护时可有效控制顶板变形、下沉现象，且钢梁不易变形，对顶板支护效果好。

（3）对顶板切顶破坏小：采用工字钢梁在支护属于线性支护，钢梁两侧边为支护承载结构，而两侧边宽度小，在应力区或破碎区支护时，钢梁很容易对顶板产生切顶破坏作用，而JW 型钢梁两侧为与弧形，在支护时钢梁面与顶板可完全贴合，避免了钢梁与顶板切顶破坏现象。

（4）JW 型锚索梁棚在实际支护过程中还存在一些缺点，主要表现在以下几方面：①与原锚杆支护相比，该支护锚索梁棚重量大，不利于井下巷道快速支护，劳动作业强度高；②与原支护相比，该支护成本费用高，不适用于整条巷道支护。

4 结语

截至2021年2月21日，9102 运输顺槽已掘进至620 m，现场观察发现F8断层对巷道影响长度为50 m（560～610 m）。华阳煤矿通过对应力区顶板支护进行合理优化，并采取JW型锚索梁棚支护后，应力区顶板未出现破碎、冒漏现象。 通过对应力区顶板安装YH-300 型顶板离层仪并进行15 d现场观察，结果表明，JW 型锚索梁棚有效阻止了顶板大面积离层、下沉现象，顶板最大下沉量控制在0.14 m，取得了显著应用成效。