长锚杆（索）在破碎顶板巷道的应用

黄正兴

（大同煤矿集团朔州煤电有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

大同煤矿集团朔州铁峰煤业有限公司5#层408回风巷位于井田408盘区，北部为小窑采空区，东部为井田边界，南部为实煤区，西部为盘区大巷。408回风巷设计长度为1989m，施工巷道沿5#煤层底板掘进，煤层平均厚度为3.0m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5×3.0m。5#煤层无伪顶，直接顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为2.6m，岩体松软性脆，极易破碎；基本顶主要为含砾粗砂岩，平均厚度为5.0m，岩体钙质胶结，坚硬不易垮落。

408回风巷采用综合机械化掘进工艺，巷道初步支护设计顶板采用单锚杆、锚索、金属网支护。顶板锚杆长度为2.0m，直径为22mm，每排布置6根，锚杆间距×排距=0.9×1.0m，锚杆预紧力矩150N·m，锚杆采用一支MSK23/35和一支MSZ23/60树脂锚固剂锚固；顶板锚索采用长度为5.3m、直径为17.8mm预应力钢绞线,锚索托盘规格为长×宽=0.3×0.3m，每根锚索采用一支MSK23/35和两支MSZ23/80树脂锚固剂锚固，锚索排距为2.0m。

巷道掘进至224m处顶板出现局部破碎现象，锚杆支护困难。当巷道掘进237m时顶板出现第一次冒顶，冒顶高度达2.7m。随着巷道继续掘进，顶板破碎面积扩大，顶板锚杆支护失效率达17%，严重制约着巷道安全高效掘进。

2 408回风巷顶板破碎原因分析

（1）集中应力作用。408回风巷北部为小窑8204采空区，保护煤柱间距为19m。由于8204工作面于2007年回采结束，受采空区残余应力及工作面开挖影响，应力集中作用在408回风巷顶板上，顶板受压破坏严重，造成顶板破碎。

（2）锚杆支护强度低。原支护设计中顶板锚杆长度为2.0m，而巷道直接顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为2.6m，锚杆锚固段位于该不稳定岩体中，在应力作用下，该岩体稳定性差，出现离层、下沉现象，锚杆支护时无法促成顶板连续梁长期稳定性，导致直接顶出现延展破坏。

（3）锚杆支护密度大。408回风巷初步支护设计中，顶板每排布置6根锚杆，排距为1.0m，虽然在一定程度上对顶板起到支护作用，但是由于408回风巷直接顶承载能力低，易出现剪切破坏，密集的支护钻孔不仅破坏了岩体连续稳定性，而且钻孔在施工过程中产生的扰动破坏，会增加顶板裂隙带，且在应力作用下向深部延伸。

3 长锚杆（索）支护设计

408回风巷在掘进期间顶板应力分布特点主要为水平应力小、垂直应力高，根据前期巷道掘进顶板破碎原因，对顶板支护设计进行优化，采用大锚杆（索）支护形式，适当降低支护密度，提高锚杆预应力。

3.1 施工工艺

（1）锚杆支护。优化后408回风巷顶板锚杆采用长度3.5m、直径25mm的左旋无纵筋螺纹锚杆。每根锚杆配套两支锚固剂，一支MSK23/60快速型，一支MSCK23/35超快速型。锚杆锚固力不得低于10t，预紧力不得低于200N·m。锚杆每排布置5根，间距1.1m，同一排锚杆外露端采用14#圆钢焊接而成钢筋托梁护顶，长度4.8m，锚杆排距1.2m。

（2）锚索支护。优化后决定对原顶板单锚索支护更改为恒阻组合锚索支护形式，每组组合锚索由两根恒阻锚索及一块钢托板组成。锚索长度为8.0m，直径为21.6mm，钢托板规格为长×宽=0.5×0.5m，托板焊制两个直径为30mm圆孔。每排施工两组组合锚索，锚索间距为2.5m，排距为4.0m。如图1所示。

图1 408回风巷破碎顶板大锚杆（索）支护断面示意图

3.2 长锚杆（索）支护优点

（1）长锚杆(索）支护有利于对顶板支撑应力连续传输，如图2所示，提高了锚杆支护灵敏度，保证了锚杆悬吊及组合梁作用，有效抑制了顶板变形、离层现象，避免了短锚杆支护时顶板出现的延展破坏，减小巷道二次维修量。

图2 两种锚杆支护结构状态对比示意图

（2）长锚杆（索）支护增加了锚固层厚度，从而积极调动了深部稳定岩体承载性能，充分利用上部岩体较强承载能力，达到控制浅部岩体变形的目的，降低了应力对浅部不稳定岩体破坏作用。

（3）长锚杆（索）支护实现了“三高一低”支护作用，即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度，在满足顶板支护要求的前提下，降低了顶板支护密度，减少单位面积上锚杆数量，不仅降低了支护成本费用及劳动作业强度，而且缩短了单位面积支护时间，提高了巷道掘进效率。

（4）长锚杆（索）支护促进了顶板连续梁稳定性及承载作用，从而有效缓解煤帮压力，降低了顶板垂直应力对两帮煤体产生的剪切破坏作用，提高了围岩稳定性，而围岩稳定性提高又保证了顶板连续梁长期稳定。

4 结束语

大同煤矿集团朔州煤电有限公司通过技术研究，对铁峰矿408回风巷顶板破碎原因进行合理分析，对原顶板支护进行优化，提出长锚杆（索）支护设计。通过实际应用发现，优化后支护设计有效提高了破碎顶板稳定性，保证了锚杆（索）支护效果，支护失效率降低至2%以下，防止了顶板下沉现象，顶板最大下沉量控制在0.14m以下，避免了巷道二次维修，减少维修成本费用达1170元/m。同时长锚杆（索）支护密度低，与传统单锚杆、索支护相比，每米可节约支护成本费用达240元，保证了巷道安全快速掘进，取得了安全、经济效益。