掘进巷道破碎带顶板支护的实践

王金强

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西 怀仁 038300）

1 概 述

同发东周窑井田位于大同煤田北西侧，5402顺槽巷位于山4#煤层四盘区，东侧为四盘区胶带、辅运、回风大巷，北侧为8401工作面，其余为实煤区。上覆侏罗系煤层，不存在采空破坏区，巷道设计长度1102.293m。根据三维地震分析及相邻2401巷道揭露情况，预计8402工作面两条顺槽掘进期间将遇3条正断层，掘进至239m将遇落差为15m正断层D1，预计影响工作面88m。

5402运巷无伪顶，巷道的直接顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度约为6.78m，基本顶以粗砂岩为主，平均厚度为16.1m，基本顶与直接顶间夹杂厚度约为0.4m的煤层（不可采）。5402运巷由同煤集团朔州煤电宏宇公司（东周窑项目矿建项目部）采用EBZ-200型半煤岩掘进机施工。巷道目前施工到235m，据目前所提供的地质勘探资料判断，5402运巷在掘进施工的过程当中可能揭露正断层三条（D1、D2、D3）。在掘进巷道239m处将遇落差为15m正断层D1，倾角为80°，影响较大；正断层D2位于5402运巷的341m处，断层落差为2m，倾角为80°；正断层D3大致位于5401运巷的360m处，断层落差为3m，倾角为75°，对巷道的施工影响较小，掘进机可直接施工通过。

2 5402运巷支护设计及问题分析

2.1 5402运巷顶板支护的初步设计

5402运巷顶板初步设计采用联合支护，涉及到的支护材料主要有锚索、锚杆、W钢带、金属网片等，具体如下：

（1）顶板支护锚杆采用长度为2.4m，直径为22mm的螺纹钢锚杆，每排支护5根，锚杆的间、排距为1.1×1.0m。

（2）顶板W钢带规格，长度为4.8m，宽度0.25m的“W”型钢带，钢带与顶板的锚固使用5根锚杆进行，钢带间距为1.0m。

（3）顶板的支护锚索规格，长度为6.0m，直径为17.8mm预应力钢绞线，每排施工三根锚索，锚索间排距为2.0×3.0m，锚索末端采用规格为0.3×0.3m方型钢垫并配锁具进行预紧。

2.2 顶板支护的初步设计在过断层D1时存在问题

（1）由于D1断层落差为15m，巷道在施工至距断层带10m处时通过对断层D1附近顶板的观测发现，矿压显现主要是集中于5402运巷顶板中部，由于顶板压力的增大，巷道顶板的中间部位出现下沉、破碎现象，破碎的区域在顶板向上的2.2m范围内且范围仍在不断扩大，而巷道初步设计中的顶板支护锚杆长度规格仅为2.4m，这样使得锚杆的锚固端恰好位于破碎的岩体中，锚杆与W钢带的联合支护无法形成组合梁作用，尤其对巷道的破碎顶板起不到应有的支护效果。

（2）随着巷道施工的不断延伸，当施工掘进至断层带处时，岩层的胶结稳定性降低，巷道大面积的破碎现象出现，若仅是采用W型钢带支护，随着时间的推移，W型钢带甚至会出现严重的变形，支护的强度下降，对破碎的巷道顶板起不到长时间的有效支护。

（3）在巷道施工至断层带处时，离层现象极可能会在直接顶与基本顶间出现，而顶板支护的初步设计中的锚索长度为6.0m，锚索的锚固端恰好位于基本顶与直接顶之间，顶板一旦出现离层现象，所支护的锚索完全起不到预紧锚固的作用，失去支护效果，同时直径为17.8mm的锚索的屈服强度也较低，在施工过断层时如离层现象一旦出现则会使锚索被拉断，造成顶板冒落。

3 断层破碎带顶板支护技术研究

通过研究，在5402运巷过断层D1期间对顶板的支护进行优化，采取“锚杆桁架+π型钢棚”联合支护法对巷道破碎顶板进行加强支护与维护。

3.1 增加锚固范围和锚固力

（1）巷道破碎顶板段的单锚索规格采用长度为8.3m，直径为21.6mm预应力钢绞线，缩短锚索排距为2.0m；同时每根锚索采用3支锚固剂（1支MSKC 23/80加长快速型、2支MSKC 23/35超快型）来减少锚索的锚固时间，从而提高锚固质量。

（2）对于锚杆的锚固与支护质量的提高，将原来设计中锚杆规格更换为：锚杆长度为3.2m，直径为22mm的左旋无纵筋加长螺纹钢锚杆，每根锚杆采用2支锚固剂（1支MSKC 23/35超快型、1支MSKC 23/80快速型）来提高支护效果。

3.2 锚杆桁架支护

在过断层带D1时，为了使施工巷道破碎顶板中部应力集中的现象减小，研究采用锚杆桁架支护，具体的施工方法如下：

（1）锚杆桁架支护组成材料：2根倾角锚杆，2根拉杆，1个拉紧器和若干钢垫片。

（2）当巷道的施工掘进进入到断层D1破碎的区段时，永久支护施工完后，在两排相邻的钢带中间在距巷帮1.0m处各施工一根长度为2.0m倾角（锚杆与巷道的顶板夹角为60°）锚杆。

（3）当施工完倾角锚杆后要及时进行锚固，锚杆锚固质量必须合格，锚杆锚固后，在两根倾角锚杆的外露端再各安装一根拉杆，两根拉杆通过拉紧器连接。

（4）拉紧器的拉力要严格符合设计的要求，确保两根倾角锚杆所产生倾向的合力能够与巷道破碎顶板中部的集中应力相抵消，拉杆同时还必须能够起到对破碎顶板支撑的作用，相邻的在两架锚杆桁架支护间的空隙用金属垫片填塞严实，如图1所示。

图1 5402运巷顶板锚杆桁架支护断面示意图

3.3 π字型钢棚支护

为使破碎巷道的顶板的稳定性进一步提高，在5402运巷应用锚杆桁架和改善了的支护参数的同时，再增设π字型钢棚，π字型钢棚间用工字钢梁铺设并用木背板背实。

（1）由于5402运巷宽度为5.0m，而传统矩形钢棚的顶梁承载力与π型钢棚相比较差。π字型工字钢棚主要是由2节棚腿、1节π字型顶梁、卡缆等组成。棚腿底端焊接一块钢板，规格为长×宽×厚=0.3×0.3×0.05m。

（2）当施工进入到巷道断层的破碎区域时，人工在巷道两帮底板处进行起底直到见到实体，施工棚腿基础坑，起底规格为宽×深=0.35×0.3m，将棚腿埋入并用混凝土浇筑。

（3）安装并固定好一组棚腿，在架设棚腿上方的π型顶梁时，用卡缆将顶梁与棚腿进行固定，钢棚间距为1.0m，安装完成后要保证顶梁与巷道顶板间留有0.15m间隙。

（4）架设完相邻的三架π字型钢棚后，用5根3.0m横梁在钢棚顶梁上方垂直π型顶梁，间距为1.0m，采用卡缆将横梁与π字型顶梁固定。

（5）横梁与巷道顶板的间隙用木背板垂直横梁布置背实，木背板铺设方式随巷道延伸使π字型顶梁逐渐抬高，以保证π字型梁木背板可以严实的接触到破碎巷道顶板。

（6）为保证所有钢棚的稳定牢固，在所有相邻的π字型工字钢棚腿中间，分别用两组拉杆使其连接为一体。

4 结语

在5402运巷过D1断层施工期间，对破碎带顶板进行支护优化，“锚杆桁架+π字型钢棚”的联合支护不仅阻止了巷道顶板的破碎范围扩大，减小了巷道中部顶板在施工时应力集中的现象，还提高了巷道的稳定性，保证了顶板破碎巷道安全快速的施工通过，取得了较显著的成效。