复杂条件下掘进巷道支护优化设计

刘植宁

（山西高平科兴龙顶山煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 概述

山西高平科兴龙顶山煤业有限公司9102运输顺槽位于井田901 采区，巷道设计长度为2323m，巷道设计断面规格为宽×高=4.8m×2.6m，巷道沿9#煤层顶板进行掘进。

9102 运输顺槽位于太原组中部，上距K7细砂岩39.94m，上距3 号煤层50～67.66m，平均58.39m，下距15 号煤层30.94～49.55m，平均37.75m。煤层厚度0～2.02m，平均1.60m，为中厚煤层，一般不含夹矸，为大部分可采的较稳定煤层，井田内中南部风化剥蚀，在井田中部、东部出现不可采或沉积缺失。煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩、少量为细砂岩、铝土泥岩，底板多为泥岩、砂质泥岩，少量为细砂岩、粉砂岩。

9102 运输顺采用EBZ150 型掘进机掘进，截止2020年4月9102运输顺槽已掘进至780m处，巷道掘进至772m处揭露一条F2正断层，断层落差为1.7m，倾角为53°，断层与巷道夹角为79°，受F2断层影响，巷道掘进至760m巷道顶板出现破碎险情，原顶板采用锚杆索支护效果差、支护难度大，局部顶板出现冒落现象，威胁着巷道安全快速掘进。

2 原巷道顶板支护设计及问题分析

2.1 原顶板支护设计

2.1.1 临时支护

9102运输顺槽掘进期间采用锚杆下挂吊环，吊环内穿金属管作为前探梁，前探梁上放置木板和金属网，以构木与木锲进行背紧的临时支护形式。吊环采用∅100mm×4.5mm 的铁管制作而成，配∅18mm 的高强螺帽周围双层焊接，吊环拧紧在已打设安装完毕的锚杆上。前探梁采用2根长3m、∅90mm×5mm的钢管按锚杆间排距均匀悬吊于巷道顶部锚杆上，每根前探梁用2个吊环固定。

2.1.2 永久支护

该掘进工作面采用锚网索支护作为永久支护，巷道顶板采用左旋螺纹钢高强锚杆、锚索、6#钢筋网联合支护；煤柱侧巷帮采用高强度圆钢锚杆、6#钢筋网联合支护，回采侧巷帮采用玻璃钢锚杆、阻燃塑料网联合支护。

（1）9102运输顺槽顶板采用左旋螺纹钢高强锚杆，长度为2.4m，直径为22mm，杆体屈服强度为335MPa，极限强度为400MPa，锚尾进行强化热处理，屈服强度不小于杆体[1]，延伸率大于15%，杆尾螺纹规格M22，采用滚压加工工艺成型，每排布置6 根，锚杆间距为0.9m，排距为1.0m，每排锚杆外露端安装一根长度为4.8m“M”型钢带。

（2）9102 运输顺槽顶板锚索采用“二·一·二”布置方式，排距为3.0m，锚索长度为4.3m，直径为17.8mm，锚索间距为3.0m，每根锚索外露端安装一根长度为0.8m工字钢梁。

2.2 支护问题分析

当顶板相对稳定时，原顶板支护满足实际需求，但是9102 运输顺槽过F2断层期间，施工条件相对复杂，原支护在断层应力区应用存在很多技术难题，主要表现在以下几方面：

（1）锚杆支护长度不足：原顶板锚杆长度为2.4m，锚固长度为0.6m，巷道在过F2断层期间顶板受应力作用出现破碎现象[2]，顶板裂隙带高度发育，导致顶板往上3.0范围内岩体稳定性差，在该区域采用长度为2.4m锚杆支护时不仅钻孔施工难度大、锚固效果差，而且锚杆无法对破碎区域实现悬吊支护作用。

（2）锚索支护强度低：原顶板支护设计中锚索长度为4.3m，而锚杆长度为2.4m，锚索与锚杆支护预应力叠加，起不到对顶板整体加固作用[3]。

（3）支护托盘支护截面积小：原支护设计中同一排锚杆外露端安装一根长度为4.8m“M”型钢带，该钢带宽度为0.15m，厚度为3mm，钢带不仅支护强度低，而且支护截面积小，无法对破碎顶板起到有效锚托作用。

3 顶板支护优化设计

为了保证9102 运输顺槽安全快速过F2断层应力区，提高顶板整体稳定性，决定对原顶板支护进行优化。

3.1 大锚杆支护

为了解决原支护设计中锚杆支护不足的技术难题，提高锚杆的悬吊支护作用，决定对原锚杆支护进行优化，采用大锚杆支护。

（1）大锚杆主要为长度为3.5m，直径为28mm高强度钢锚杆，锚杆屈服强度为478MPa，极限强度为520MPa，每根锚杆采用三支锚固剂锚固[4]，其中快速（MSK23/35 型）锚固剂2 支，中速（MSZ23/60 型）锚固剂1支，锚固力不低于270kN,预紧力不低于400N·m。

（2）为了避免顶板在施工密集支护孔时对顶板产生扰动破坏作用加剧了顶板破碎力度，原顶板锚杆支护优化后每排由6 根锚杆缩减为5 根，锚杆间距为1.1m，排距为1.0m；锚杆垂直顶板布置。

（3）为了提高锚杆托盘支护强度及支护面积，优化后顶板锚杆外露端安装一根长度为4.8m“JW”型钢带，钢带由高锰钢焊制而成，钢带厚度为4.5mm，宽度为0.32m，钢带抗剪强度为340MPa，该钢带相比M 型钢带具有支护截面积大、强度高、变形率低等优点[5]。

3.2 梯形锚棚支护

为了进一步提高巷道顶板锚索支护效果，控制巷道直接顶稳定性，决定在对原巷道顶板单锚索支护进行优化，采用梯形锚棚支护。

（1）与传统单锚索支护不同，梯形锚棚支护实现了同一排锚索联锁支护作用，9102 运输顺槽断层处顶板施工的梯形锚棚支护主要由梯形托架、3根恒阻锚索组成。

（2）梯形托架主要由3 根长度为4.8m，直径为18mm 圆钢焊接而成，梯形托架宽度为0.45m，梯形托架两端及中部焊接一个长及宽为0.3m钢板，钢板中部焊接一个直径为27mm 支护孔。恒阻锚索长度为6.7m，直径为21.8mm。

（3）首先在破碎巷道顶板施工3 根锚索钻孔，钻孔深度为6.7m，直径为30mm，钻孔间距为1.5m，钻孔施工完后对钻孔内锚注三根锚索，然后在外露端安装梯形托架，并采用锁具进行预紧；梯形锚棚施工排距为2.0m。

4 结束语

截止2020 年4 月12 日9102 运输顺槽已掘进至840m且完全过F2断层影响地段，通过对断层破碎区顶板支护进行优化后，巷道后期过F2断层应力区时顶板破碎现象得到了有效控制，避免了应断层影响导致顶板垮落事故，大大提高了巷道顶板支护效果及顶板稳定性，取得了显著应用成效。