断层应力区巷道顶板支护优化设计

张 强

（潞安集团司马煤业公司，山西 长治 047105）

1 概述

潞安集团司马煤业公司1208运巷位于井田二采区西翼，巷道北部为二采区三条采区大巷，东部为1207采空区，南部为井田边界，西部为实煤区，巷道东西走向布置。1208运巷设计长度为1250m，巷道为矩形断面，设计断面规格为宽×高=5.2×3.5m。施工巷道掘进煤层为下二叠统山西组下部的3#煤层，煤层平均厚度为6.0m，平均倾角为4°，煤层不稳定，含多层夹矸，煤体普氏系数f=1.5。1208运巷沿3#煤层底板掘进，预留顶煤厚度为2.5m，截至目前巷道已掘进552m。

3#煤层无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为2.2m，岩体成脆性，易破碎，岩体普氏系数f=3.5；基本顶主要以粉砂岩与粗砂岩混合为主，平均厚度为6.9m，较稳定，岩体普氏系数f=5.0。

1208运巷掘进至560m处揭露一条F4正断层，断层落差为1.8m，倾角为52°。受构造应力影响，巷道在545～575m段形成构造应力破碎区。通过前期巷道掘进观察发现，在应力区内顶板原支护效果差，支护失效率高达21%，顶板出现下沉、破碎现象，随着巷道延伸，下沉、破碎现象加剧，局部出现冒落现象，制约着巷道安全快速掘进。

2 原顶板支护设计及存在的问题

2.1 原顶板支护设计

（1）顶板支护。顶板采用锚杆、锚索、钢带联合支护。顶板每排布置6根MSGLW-500/22×2400锚杆，间排距为0.9×1.0m；顶板钢带采用长度为4.8m、宽度为0.15m“M”型钢带，钢带与巷道走向垂直布置，排距为1.0m；顶板锚索采用长度为5.0m、直径为17.8mm预应力钢绞线，锚索五花型布置，即第一排布置3根锚索，间距为1.8m，第二排布置两根锚索，间距不变，锚索排距为2.0m，锚索外露端配套使用规格为长×宽=0.3×0.3m拱形钢托盘。

（2）巷帮采用单锚杆支护，两帮每排布置3根MSGLW-500/22×2000锚杆，锚杆间排距为1.0m，第一根锚杆施工在距顶板0.5m处。

2.2 存在的问题

（1）支护强度不足。1208运巷沿3#煤层底板掘进且预留顶煤，受煤层赋层以及掘进破坏影响，顶煤力学性质发生变化，煤体出现破碎、裂隙现象。原顶板锚杆长度为2.4m，锚杆锚固端位于裂隙煤体内，导致锚杆锚固端与煤体胶结稳定性差。顶板钢带宽度为0.15m，支护断面小，支护效果差。

（2）顶板承载能力低。受构造应力及围岩应力作用，施工巷道顶板稳定性差，承载能力低。当巷道停止掘进补打顶板支护时，工作面煤壁对顶板承载梁产生剪切作用，破坏了顶板连续承载梁，加剧了顶板破坏力度。

（3）集中应力破坏严重。1208运巷在过断层应力区时，顶板受垂直向下集中应力作用，导致顶板出现下沉现象，顶板支护在应力集中区内会造成支护屈服强度降低，出现疲软现象，长期作用会导致支护体变形、折断等现象。而且受集中应力作用，顶板对两帮产生剪切应力作用，造成巷帮与顶板之间肩角煤柱预留难度大，导致巷道呈尖状型。

（4）钻孔扰动破坏严重。原顶板支护设计中每排布置6根锚杆，锚索每两排布置5根锚索，平均每米施工支护孔数量为8.5个，密集的支护孔破坏了顶板连续梁，同时支护孔在施工过程中，对顶板煤岩体产生扰动破坏，加剧了煤岩体裂隙发育，使顶板围岩松动圈范围不断扩大，增加了支护难度。

3 应力区支护设计优化

3.1 永久支护优化

为了有效解决上述问题，提高永久支护效果，1208运巷在应力区内对原顶板锚杆（索）支护进行优化设计。

（1）锚杆、钢带支护优化。优化后顶板采用长度为3.5m、直径22mm左旋无纵筋加长锚杆，每排5根，锚杆间距为1.1m，排距为1.5m，锚杆与钢带配套使用；钢带采用长度为4.8m、宽度为0.28m“JW”型钢带。如图1所示。

（2）锚索支护优化。优化后顶板锚索采用长度为8.0m、直径为21.6mm高预应力恒阻锚索，每排布置2根，锚索间排距为3.0m，锚索外露端安装一根长度为0.6m、宽度为0.35m“JW”型钢梁。

3.2 安装“L”型钢带

为了防止肩角煤柱剪切破坏，决定对巷道两帮肩角煤柱安装“L”型钢带进行加强支护作用。

（1）L型钢带顶板段长度为1.5m，巷帮段长度为2.0m，钢带宽度为0.3m，顶板段及巷帮段各布置两个孔径为30mm圆孔，间距为1.0m，钢带拐角处焊制一个孔径30mm圆孔。

（2）L型钢带安装在钢带两端肩角煤柱处，顶板段钢带与顶板“JW”型钢带叠加布置，在巷帮段钢带施工两根长度为2.0m、直径为20mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行固定，并代替巷道巷帮两根支护。

（3）在钢带拐点处施工一根长度为5.0m、直径为17.8mm预应力锚索，锚索成45°仰角布置，在锚索外露端安装一根长度为0.5m“11#”钢梁，如图1所示。

3.3 注浆锚棚支护

（1）应力区顶板每排施工3根注浆锚杆，锚杆间距为1.5m，锚杆长度为3.0m，直径为30mm，锚杆中空状，中部孔径为14mm；锚杆两侧各均匀焊制5个直径为10mm圆孔且与中部圆孔联通，侧孔间距为0.5m。

（2）注浆锚杆施工完后锚杆尾端安装注浆管与注浆泵连接进行注浆施工，注浆液采用聚氨酯粘合剂，注浆压力为1.0MPa。注浆后及时采用膨胀水泥对注浆锚杆端头中部孔进行封堵。

（3）注浆锚杆施工完后在锚杆安装一根长度为4.5m工字钢梁，并采用螺母进行预紧，在钢梁两端采用卡缆固定两根长度为3.5m工字钢棚腿，钢棚必须支设稳定且保证顶梁与顶板接触严实。

（4）注浆锚棚支护间距为1.5m，为了保证钢棚支护稳定性，在相邻两架钢棚棚腿之间安装两组拉杆。

图1 1208运巷断层应力区联合支护断面示意图

3.4 纵向桁架锚索支护

为了削弱顶板集中应力作用，决定对应力区巷道顶板施工纵向迈步式锚索桁架支护。

（1）每组桁架锚索支护主要由两根长度为5.0m、直径为17.8mm锚索，两根长度为1.8m、直径为20mm圆钢托架以及一根双向张拉器组成。

（2）首先沿巷道走向施工两根锚索，锚索间距为3.0m，锚索倾角为75°。两根锚索施工在距巷道左帮1.5m处，锚索施工后在锚索外露端分别安装一根圆钢托架并采用张拉器预紧。

（3）第二组桁架锚索支护施工距巷道右帮1.5m，两组桁架锚索间距为2.0m，且第二组桁架锚索支护与第一组桁架锚索迈步式布置，如图2所示，依次类推直至工作面完全过断层应力区。

图2 1208运巷断层应力区联合支护平面示意图

4 结论

（1）1208运巷通过对顶板永久支护进行优化后，提高了支护质量及支护强度，在后期应力区掘进中顶板支护失效率降低至3%以下。

（2）对应力区巷道肩角煤柱安装“L”型钢带后，加强了肩角煤柱稳定性，解决了传统围岩支护时肩角煤柱支护不到位、煤柱预留难度大等技术难题，提高了巷道成型率。

（3）通过对应力区巷道施工注浆锚棚支护后，实现了钢棚主动和被动同步支护作用，提高了钢棚支撑作用力，防止了钢棚变形现象，同时顶板进行注浆支护对顶板裂隙带进行有效填充、粘接，使顶板破碎煤体单轴抗压强度提高至53MPa，保证了顶板承载作用。

（4）通过安装纵向锚索桁架支护后，削弱了集中应力对顶板垂直破坏，控制了顶板下沉现象，后期在掘进过程中顶板最大下沉量控制在0.15m以下，位于断层带处顶板尽管有下沉，但未出现顶板断裂、冒落现象。