厚煤层巷道破碎顶板支护优化应用

2021-07-08范慧盛

山东煤炭科技 2021年6期

范慧盛

（山煤国际能源股份有限公司煤业分公司，山西太原 030000）

1 概述

山煤左云长春兴煤业公司601 运输顺槽东部为南延盘区大巷二段，南部为五家沟煤矿5214 工作面采空区（矿界煤柱46～73 m），西部为矿井西部矿界，北部为设计南盘区西南部未开采区域。601运输顺槽设计长度为2100 m，巷道设计断面规格为宽×高=5.2 m×4.0 m，巷道掘进煤层为22#层，结构复杂，厚度稳定。工作面煤层平均厚度为9.5 m，含3～4 层夹矸，倾角较小，平均-2°，见表1。根据工作面钻孔Z906 得知，22#层上距最近16-2#煤层约99.15 m，下距最近25-1#煤层约12.7 m。

表1 22#煤层顶底板岩性汇总表

通过对巷道掘进区域进行三维地震勘探发现，巷道在掘进过程中共计揭露11 条正断层。其中位于巷道1420 m 处揭露的WF19 断层落差为3.0 m，倾角为50°，对巷道掘进影响较大，其他断层平均落差不足1.0 m，对巷道掘进影响较小。截至目前巷道已掘进至1407 m。受WF19 断层影响，巷道掘进至1400 m 处巷道顶板出现破碎现象。随着巷道延伸巷道受构造应力影响逐渐加大，顶板出现局部锚杆（索）失效及巷道肩角煤柱局部垮落，顶板下沉量达0.48 m，两帮移近量达0.63 m，不仅降低了巷道成型率，而且制约着巷道安全高效回采[1-5]。

2 巷道顶板破碎机理

2.1 顶煤稳定性差

601 运输顺槽掘进的22#煤层厚度为9.5 m，巷道掘进高度为4.0 m，巷道沿22#煤层底板掘进，留顶煤厚度为5.5 m。22#煤层结构复杂，煤层发育成分层状结构，煤层内含多层夹矸，导致煤层整体稳定性降低，巷道掘进期间围岩在上覆岩层重力的作用下造成顶煤产生剥离破坏，致使顶煤破碎、下沉。

2.2 构造应力影响

WF19 正断层落差为3.0 m，破坏了22#煤层整体稳定性，导致断层两盘煤体产生纵向裂隙破坏带，随着巷道掘进逐渐接近断层，断层处应力沿裂隙带向巷道开挖方向释放，应力在释放过程中对裂隙带产生扩张破坏作用，导致煤体裂隙向巷道迎头方向延伸，从而导致巷道顶板破碎、煤壁片帮现象。

2.3 支护强度低

601 运输顺槽原顶板主要采用锚杆（索）+金属网联合支护。顶板每排布置5 根长度为2.0 m 螺纹钢锚杆，锚杆间距为1.1 m，排距为1.0 m ，锚杆外露端安装一根长度为4.8 m、宽度为0.25 m“W”型钢带；顶板每排布置三根锚索，锚索长度为5.3 m，直径为17.8 mm，锚索间距为1.8 m，排距为3.0 m；顶板金属网采用直径为8#铅丝编制而成。但是通过现场观察发现，原支护强度相对较低，主要体现在以下几方面：

（1）601 运输顺槽顶煤厚度为5.5 m，顶煤在应力作用下已出现破碎现象，破碎深度达2.5 m，而原顶板锚杆长度为2.0 m，锚杆锚固段位于破碎顶板围岩松动圈内，导致锚杆锚固质量差，失效现象严重。

（2）原巷道中顶板锚索长度为5.3 m，直径为17.8 mm，锚索锚固段位于顶煤与伪顶之间，在应力作用下伪顶极易出现离层现象，导致锚索锚固失效。同时原顶板锚索抗拉强度相对较低，在较强应力作用下很容易出现破断现象。

（3）原顶板中采用菱形金属网进行护顶，该金属网在顶板破碎时可有效进行护顶作用。但是菱形金属网抗压强度低，易变形，在顶板大面积破碎且伴随局部离层时，金属网变形后很容易出现折断现象。同时金属网遇腐蚀性液体后很容易产生锈蚀作用，长期在应力以及锈蚀破坏作用下降低了金属网护顶强度。

3 巷道破碎区顶板支护优化

3.1 顶板永久支护优化

（1）顶板锚杆支护优化。601 运输顺槽应力区破碎顶板采用加长锚杆支护，加长锚杆长3.5 m，直径22 mm，每排布置6 根锚杆，锚杆间排距为1.0 m，锚杆外露端安装一根长度为5.0 m“JW”型钢带。

（2）顶板锚索支护优化。顶板锚索更换为长度8.3 m、直径21.8 mm 恒阻高预应力锚索，锚索采用“三.二.三”布置方式，锚索间距为1.8 m，排距为3.0 m，如图1。

图1 601 运输顺槽顶板永久支护优化后平面布置示意图

（3）顶板金属网优化。为了提高金属网护顶强度，将原顶板金属网更换为JDPET 型聚酯纤维柔性网，每卷纤维网长度为10 m，宽度为7.0 m，安装工艺如下：① 当顶板第一排锚杆锚固后将纤维网平铺在锚杆下方，然后将JW 型钢带安装在纤维网下方并进行预紧；② 巷道两帮外露的纤维网长度为0.6 m，用巷帮第一排锚杆对其进行固定。

3.2 施工锚索架棚支护

为了进一步提高断层破碎带附近巷道围岩稳定性，决定在断层前后10 m 范围内施工JW 型锚索棚支护。

3.2.1 JW 型锚索棚结构组成

JW 型锚索棚主要由棚腿、JW 型顶梁、V 型支撑梁、底座以及固定锚索等部分组成，如图2。

图2 601 运输顺槽JW 型锚索棚支护断面示意图

（1）棚腿长度由两节组成，每节长度为2.1 m，棚腿主要为U29 型钢梁，两节棚腿主要采用卡缆及抱箍进行固定连接；棚腿底端与底座进行固定连接，顶端焊制一个凹型托盘。

（2）JW 型顶梁长度为5.0 m，宽度为0.35 m，顶梁主要由厚度为5 mm钢板通过磨具一次性成型，顶梁上均匀焊制5 个锚索支护孔，孔间距为1.0 m，孔直径为30 mm。

（3）V 型支撑梁主要由两根长度为1.5 m、边宽为0.1 m 角钢焊制而成，V 型角为60°，支撑梁两端采用螺母与U29 型棚腿固定，顶端采用锚索与JW 型顶梁进行固定。每架钢棚安装5 根固定锚索，每根锚索长度为5.5 m，直径为21.8 mm。

3.2.2 JW 型锚索棚支护工艺

（1）巷道掘进至1410 m 处时，在巷道内架设JW 型锚索棚，首先在巷道两帮处底板安装棚腿底座，底座安装前必须保证底板平整，且采用地锚将底座与底板进行固定。

（2）底座固定后，将第一节棚腿与底座采用螺母进行固定，第一节棚腿固定后，将第二节棚腿对插在四一节棚腿端头处并采用卡缆进行固定，两节棚腿对接长度不得低于0.2 m。为了提高棚腿牢固性，棚腿安装后采用锚杆将其与巷帮进行固定。

（3）棚腿与JW 型顶梁同样采用卡缆进行固定，在安装JW 型顶梁时首先在巷道中部施工一根固定锚索，锚索外露长度控制在0.3～0.5 m 范围内，然后在锚索外露端依次安装JW 顶梁以及V 型支撑梁，并采用锁具进行固定。

（4）顶梁固定后依次施工其他固定锚索，并进行预紧，保证锚索预紧力不得低于220 kN，固定锚索施工完后采用螺母将V 型支撑梁分别与两侧棚腿进行固定。

3.3 应用效果

（1）采用优化支护后，601 运输顺槽已掘进到位，巷道在过断层影响带破碎区时顶板未出现破碎、冒落现象，煤壁片帮现象得到有效控制，破碎区顶板永久支护失效率降低至3%以下，大大提高了巷道顶板支护稳定性。

（2）巷道掘进后期通过30 d 对1400～1440 m段顶板及两帮变形情况进行观察发现：破碎顶板支护优化后0～14 d 范围内，顶板及两帮煤岩体蠕动变形量相对较大，顶板下沉量为0.19 m，两帮收缩量为0.26 m；在14～25 d 范围内巷道围岩在支护作用下达到应力平衡状态，顶板及两帮变形量逐渐减小；在25 d 后顶板、巷帮围岩趋于稳定。