掘进巷道破碎顶板支护优化

王 军

（山西潞安集团蒲县新良友煤业有限公司，山西 临汾 041200）

1 11102回风顺槽概况

山西潞安集团蒲县新良友煤业有限公司11102回风顺槽东为矿井边界保护煤柱，西为北轨道大巷，南部为正在回采的11101综采工作面，北部为11102综采工作面。

11102回风顺槽巷道长915.378 m，掘进煤层为11号煤层，煤层赋存较稳定，结构较简单，含两层夹矸，煤层厚度2.82～3.06 m，平均煤厚2.92 m，属原生结构煤，煤层倾角-12°～0°，整体呈-8°下山掘进。

根据现有地质资料分析，地质条件简单。煤层顶板岩性为泥岩及砂质泥岩，致密、胶结较好，隔水性能好；煤层底板岩性为泥岩及砂质泥岩，致密、遇水易泥化，易发生底鼓现象，但隔水性能好。此外根据井下已掘巷道实际情况分析，掘进中还可能遇到小型断层、陷落柱等构造，会造成局部顶板冒落、底板底鼓等现象[1-2]。

11102回风顺槽开口沿11号煤层顶板掘进11 m，按+9°掘进25 m后过北轨道大巷，过完北轨道大巷后，按-11°找到11号煤层顶板；开口掘进9.5 m后施工回风通道（1.5 m）与11101运输顺槽回风通道贯通，掘进84 m后施工11102回风顺槽车场（21.5 m）与11102运输顺槽贯通；最后按设计方向掘进至设计位置。

2 巷道围岩破碎机理

2.1 巷道掘进现状

11102回风顺槽采用综合机械化掘进工艺，截止目前巷道已掘进450 m，巷道掘进至445 m处时揭露一条F11逆断层，断层落差为2.1 m，倾角为42°，巷道顶板采用锚杆（索）联合支护，具体支护方案如下：

1）顶板锚杆为M24-Φ22 mm-2 400 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，杆体屈服强度不低于400 MPa，极限抗拉强度不低于570 MPa，延伸率不低于20%。每排布置5根锚杆，锚杆排距900 mm、间距850 mm，锚杆布置在钢筋托梁孔位上，两侧肩部锚杆外斜10°打设，其余锚杆全部垂直岩面（顺法线方向）打设，锚杆打在限位孔内。锚杆允许5°误差，间排距偏差±100 mm，锚杆托盘必须紧贴煤岩面且不松动，锚杆露出螺母长度为10～50 mm。

2）顶板锚索采用锚索为MS-Φ18.9 mm-7 300 mm高强度低松弛钢绞线锚索，延伸率不小于3.5%。开口前5 m排排打设锚索，锚索采用“2-2-2”矩形布置，排距900 mm、间距1 600 mm；掘进5 m后，锚索采用“2-0-2”矩形布置，排距1 800 mm、间距1 600 mm。

11102回风顺槽揭露断层后出现围岩破碎现象，主要表现在顶板破碎、下沉现象，当巷道掘进至450 m处巷道中部局部出现冒漏现象，严重制约着巷道安全快速掘进。

2.2 巷道破碎原因

1）围岩稳定性差：11102回风顺槽掘进煤层为11号层，煤层整体稳定性差，煤体单轴抗压强度不足15 MPa，巷道在掘进过程中受开挖应力影响，巷道煤体破碎严重。

2）构造应力影响：11102回风顺槽掘进至445 m处时揭露一条断层，断层侵入煤体后造成煤体力学结构降低，造成煤体裂隙发育，构造应力在裂隙带出现裂隙扩张破坏作用，从而造成煤体破碎现象[3-4]。

3）支护强度不足：11102回风顺槽原顶板采用锚杆（索）支护，支护强度相对较低，当巷道围岩稳定性较好时该支护方式相对合理，但是对于围岩相对破碎时，该支护效果相对较差，无法满足破碎围岩支护需求。

3 巷道支护优化

3.1 原顶板支护优化

1）为了提高锚杆支护效果，决定对原顶板锚杆支护进行优化改进，原顶板锚杆采用“二三二”布置方式，同一排采用锚杆、锚索联合支护，第一排锚杆中第二根、第四根锚杆替换为长度为8.3 m，直径为21.8 mm锚索，第二排锚杆中第一、三、五根锚杆替换为锚索，依次类推。

2）将原顶板中W型钢带替换为JW型钢带，钢带长度为3.6 m、宽度为0.32 m，与传统钢带相比，JW型钢带具有支护截面积大、支护强度高、不易变形等优点[5]。

3.2 组合锚索施工

1）在巷道相邻两根钢带之间施工组合锚索，组合锚索主要由组合托板以及恒阻锚索组成，组合托板长度及宽度为0.5 m，组合托板上布置5个锚索支护孔，孔直径为30 mm；恒阻锚索长度为10 m，直径为21.8 mm。

2）每排布置2组组合锚索，组合锚索布置间距为1.8 m、排距为1.8 m，组合锚索安装工艺如下：首先采用MT130型锚索钻机在巷道顶板施工一个锚索支护孔，孔深为10 m；锚索支护孔施工后对孔内填装3支锚固剂，其中MSK23/35型1支、MSK23/60型2支，锚固剂安装后进行锚索锚注，锚索安装后保证锚索外露长度控制在150～250 mm范围内；第一根锚索安装后将锚索托盘安装在锚索下方，但不进行预紧，托盘安装后依次安装其他锚索，最后采用锁具进行预紧。

3.3 JW型锚索吊棚施工

为了进一步提高顶板稳定性，防止过断层期间巷道出现冒漏，决定对巷道过F11断层前后10 m范围内施工JW型锚索吊棚。

1）JW型锚索吊棚结构组成：11102回风顺槽施工的JW型锚索吊棚主要由JW型钢梁、恒阻锚索、垫片、锁具等部分组成；其中JW型钢梁长度为3.5 m，钢梁宽度为0.30 m、厚度为4 mm，钢梁采用磨具一次性浇筑而成，钢梁横截面呈JW型，钢梁最大抗剪荷强度为450 kN，钢梁上布置3个锚索支护孔，孔间距为1.6 m，如图1所示；恒阻锚索长度为8.0 m，直径为21.8 mm。

图1 11102回风顺槽破碎顶板优化后支护平面示意图（单位：mm）

2）施工工序：首先在巷道顶板施工锚索钻孔，钻孔深度为8.0 m，钻孔施工完后对钻孔依次填装锚固剂以及锚索，每个钻孔内填装3支锚固剂，锚固长度为1.55 m；锚索安装后，在锚索外露端依次安装JW型钢梁、垫片以及锁具，并采用张拉机具对其进行预紧，预紧力不得低于290 kN；JW型锚索吊棚布置排距为2.0 m，共计布置5架锚索吊棚。

4 结语

截止2021年3月14日11102回风顺槽已掘进到位，新良友煤矿通过对巷道前期掘进过程中顶板破碎机理进行分析，并根据掘进现状对原顶板支护进行合理优化，提出了组合锚索、JW型钢梁联合支护，通过实际应用效果来看，11102回风顺槽支护优化后，巷道在后期过F11断层期间有效控制了顶板破碎下沉现象，通过安装离层仪观察发现，联合支护后顶板下沉量控制在0.17 m以下，顶板锚杆失效率降低至5%以下，取得了显著应用成效。