掘进巷道破碎围岩支护优化设计

牛正杰，牛思迪

（1.晋能控股煤业集团晋城公司，山西 晋城 048000；2.晋能控股煤业集团盛泰煤矿，山西 高平 046700）

1 盛泰煤矿15201运输顺槽概况

晋能控股煤业集团盛泰煤矿15201运输顺槽位于二采区的中部，东部为实体煤层，西部20 m为准备面15202回风顺槽。南面30 m为井田边界，北部为西翼回风大巷、胶带大巷、轨道大巷。

15201运输顺槽设计长度为2 580 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.2×3.2m，巷道掘进煤层为15号煤层，工作面煤层厚度变化不大，无突变现象，煤层结构简单，局部褶曲现象比较明显，但对整个工作面回采工作影响不大，含夹矸2层，单层厚0.02～0.1 m，煤层平均厚度为3.2 m，平均倾角为3.5°，巷道沿15号煤层底板掘进，截止2021年3月12日巷道已掘进1 200 m。

15201运输顺槽掘进至1180 m位于巷道东部27 m处揭露一条F9大断层，断层落差为21 m，倾角为64°，受该断层影响巷道掘进至1 180 m处时进入大断层应力影响区，巷道在1 180~1 193 m段掘进时构造应力影响相对较小，局部出现围岩破碎现象，当巷道掘进1 195~1 200 m段时围岩破碎严重，主要表现在顶板下沉量大、两帮收敛严重，通过现场监测发现，在该区域顶板下沉量达0.38 m，两帮收敛量达0.56 m。

1 巷道围岩破碎机理

1）围岩稳定性差：15201运输顺槽沿15号煤层底板进行掘进，煤层内含多层夹矸，煤层稳定性差，15号煤层直接顶主要以炭质泥岩为主，岩体平均厚度为4.5 m，岩体成层状结构，岩石普氏系数f＜2.5，岩体硬度低，在应力作用下顶板出现失稳现象，导致顶板下沉、断裂以及破碎现象。

2）构造应力影响：15201运输顺槽回采至1180m处时进入东部F9断层应力影响区，巷道在掘进前构造应力在围岩中实现应力平衡状态，当巷道开挖后应力在开挖空间内进行释放，应力释放过程中对围岩产生裂隙扩张破坏作用，导致围岩应力作用大、破坏严重，出现围岩破碎现象。

3）支护设计不合理：15201运输顺槽原顶板主要采用锚杆支护，每排布置5根锚杆长度为2.0 m，直径为22 mm，锚杆间排距为1.0 m，锚杆外露端安装一根W型钢带；由于受应力作用巷道围岩出现围岩松动圈，松动圈扩散直径达2.2 m，原顶板锚杆锚固段位于松动圈内，锚杆锚固效果差，锚杆失效现象严重，达不到预期支护效果；同时原顶板锚杆支护属于刚性支护，顶板出现蠕动变形时，锚杆与变形岩体无法实现耦合支护作用。

2 巷道支护优化应用

为了保证15201运输顺槽后期安全快速过断层应力区，控制围岩变形现象，决定对应力区巷道原支护进行优化，提出了“加长让压锚杆+L型钢棚”联合支护技术。

2.1 采用加长让压锚杆支护

2.1.1 支护原理

通过对破碎煤岩体中施工让压锚杆，通过锚杆锚固作用对破碎围岩悬吊支护的同时，在锚杆与顶板之间安装让压器，通过让压器实现锚杆与蠕动变形岩体耦合支护作用，即提高了锚杆双向支护作用，又避免了传统刚性锚杆支护时，受应力作用锚杆出现断裂、弯曲现象，大大提高了锚杆支护效果。

2.1.2 支护结构

15201运输顺槽采用的让压加长锚杆主要由杆体、让压器、托盘等部分组成，杆体主要采用加长无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆长度为3.5 m，直径为22 mm，杆体锚固段为蛇形状，提高杆体锚固效果，锚杆屈服强度为500 MPa；让压器长度0.4 m，最大让压距离为0.2 m，最大让压强度为680 MPa。托盘主要采用长度为4.2 m，宽度为0.35 m“JW”型钢带，与传统W型钢带相比，该钢带支护截面积大、支护强度高等优点。

2.1.3 支护工序

1）首先对顶板施工一排让压锚杆支护孔，孔间距为1.0 m，钻孔直径为28 mm，深度为3.5 m，钻孔施工完后对每个钻孔内安装两支锚固剂，一支MSK23/60型，一支MSKC23/35型锚固剂，并对锚杆进行锚固。

2）锚杆锚固后在锚杆锚固段安装一个让压器，然后再安装JW型钢带，并采用螺母进行预紧，预紧力不得低于400 N·m。

2.2 安装L型钢棚

1）15201运输顺槽应力区围岩安装的L型钢棚主要由顶梁、卡缆、棚腿、底座等部分组成，顶梁及棚腿主要由11号工字钢制成，顶梁长度为1.5 m，顶梁中部焊制一个直径为30 mm支护孔，棚腿长度为3.2 m，底座与棚腿之间采用螺栓连接固定。

2）L型钢棚安装在断层侧巷帮上，首先安装底座，底座必须安装在坚硬底板上，底座安装后将棚腿与底座采用螺母进行固定。安装钢棚顶梁时，顶梁与巷帮垂直布置，顶梁与顶板之间采用一根长度为1.5 m锚杆进行固定，如图1所示。

图1 15201运输顺槽应力区围岩支护优化施工断面图（未标单位：mm）

3）L型钢棚安装间距为1.0 m，钢棚安装时必须保证顶梁与顶板接触严实，若顶板破碎、冒落导致顶梁与顶板接触不严时，采用水泥背板或道木进行填充。

3 应用效果

截至2021年3月21日，15201运输顺槽已掘进至1 280 m，巷道已过大断层应力影响区，对应力区围岩支护优化后，通过后期掘进现场观察发现，采取联合支护技术后控制了应力区围岩变形现象，实测顶板下沉量控制在0.14 m以下，两帮收敛量控制在0.22 m以下，在后期掘进过程中未出现顶板冒落、煤壁片帮现象，取得了显著应用效果。