大断面巷道破碎顶板支护优化

李志东

（山西煤炭进出口集团左云长春兴煤业有限公司，山西 大同 037100）

煤矿巷道支护技术是煤矿开采中的关键技术，保持围岩稳定，控制巷道变形和破坏是实现矿山安全、高效生产的必要条件[1-4]，随着矿井向深度和广度发展，巷道支护问题表现得越来越突出。目前对于工作面巷道的顶板支护主要采用全锚杆支护，存在的缺陷是锚杆锚固长度较小，杆体破断力较小，抗冲击性能差[5-7]，支护不佳，另外，所使用的钢带强度和刚度小，容易撕裂和拉断，护顶效果差；而对于巷道的两帮支护，也采用全锚杆支护，且缺乏金属网和钢带，很容易造成两帮位移[8]，导致顶板支护失效或减弱。以长春兴煤矿601运输顺槽为研究对象，对巷道掘进期间支护失效机理进行合理分析，并对其进行优化改进。

1 巷道简介

山西煤炭进出口集团左云长春兴煤业有限公司601 运输顺槽位于井田南盘区，巷道东西走向布置，巷道东部为南盘区大巷，北部为601工作面，南部为井田边界，西部为矿井西部矿界及山煤集团韩家洼煤矿。

601运输顺槽掘进长度为1700m，巷道设计为矩形断面，巷道掘进宽度为5.4m，高度为3.5m，巷道沿22#煤层底板进行掘进，煤层平均厚度为9.5m，平均倾角为2°，煤层结构情况如下：

平均煤层厚度：9.5m；煤层结构：含夹矸3～4层；煤层倾角：2°；开采煤层：22#；煤种：气煤：稳定程度；较稳定；煤的容重：1.4t/m3；煤层硬度：2～3；可采指数：1；变异系数：11.57%。煤层情况描述：工作面布置于石炭系太原组中下部22#煤层中，22#煤层结构复杂，厚度较稳定，根据工作面钻孔Z906得知，22#层上距最近16-2#煤层约99.15m，下距最近25-1#煤层约12.7m，工作面煤层总厚12.47m，储量计算厚度9.5m，含3～4层夹矸。煤层大致走向东西，倾向北。倾角较小，平均-2°。呈一单斜构造。

601运输顺槽采用综合机械化掘进工艺，截止目前巷道已掘进至870m 处，巷道掘进至855m 处揭露一条逆断层，断层落差为2.4m，倾角为42°，受断层影响巷道掘进至855m处围岩出现严重破碎现象，巷道顶板支护失效率高。

2 巷道原支护技术及支护失效机理

2.1 巷道原支护设计

601运输顺槽顶板初步采用锚杆、锚索、金属网、W型钢带进行联合支护，具体支护方案如下：

（1）锚杆支护：601运输顺槽顶板采用螺纹钢锚杆，锚杆杆体总长度为2.5m，杆体直径为22mm，锚杆两侧为无纵筋结构，端头为螺纹结构，螺纹长度为100mm，锚杆采用加长锚固方式[9]，每根锚杆采用两支锚固剂进行锚固，锚杆锚固长度为0.95m；顶板每排布置6 根锚杆，锚杆布置间距为1.0m，布置排距为1.0m。

（2）锚索支护：顶板锚索采用长度为6.5m，直径为17.8mm 钢绞线，锚索采用端头锚固方式，每根锚索采用3支锚固剂进行锚固，锚固长度为1.55m，每排布置3根锚索，锚索间距×排距=2.0m×3.0m。

（3）W 型钢带支护：顶板采用的W 型钢带长度为5.2m，钢带宽度为0.25m，钢带与顶板锚杆配合支护，钢带布置时与巷道两帮垂直。

（4）金属网支护：钢带、锚杆支护前在顶板铺设一层金属网，金属网采用棱形网格且采用8#铅丝编制的，金属网长度为7.0m，宽度为2.0m，金属网铺设时网延伸至两帮长度不得低于0.5m，相邻两卷网采用叠加布置，叠加宽度为0.2m。

2.2 支护失效机理

根据现场观察发现，巷道在揭露断层时顶板破碎现象，顶板锚杆锚固效果差，锚杆失效率达13%，综合分析顶板支护失效机理主要表现在以下几方面：巷道在揭露断层时，由于受构造应力影响，巷道顶板围岩稳定性差，特别是601运输顺槽煤厚9.5m，巷道预留顶煤厚度为6.0m，断层侵入煤层后破坏了顶煤稳定性，顶煤在断层作用下出现裂隙带[10]，导致顶煤出现松动圈，而锚杆支护时利用锚固剂进行锚固，然后施加预应力传递至稳定岩体内，但是当围岩破碎后锚杆锚固质量差，造成锚杆出现失效现象。

3 巷道顶板支护优化

3.1 支护优化设计

顶板支护优化巷道顶板布置钢筋网、顶钢带以及每根钢带上间隔布置的顶锚杆，和在巷道两侧的帮锚杆，每根顶钢带上增设顶锚索，顶锚杆位于顶钢带的最中间两排，相邻顶钢带上的顶锚杆呈交错排列，总体上呈“Z”字形排列。为了进一步加强巷道两帮的支护，防止两帮位移导致顶板支护失效，本实用新型还包含增设在巷道工作面两侧的钢筋网及帮钢带，相距一定距离的帮钢带上增设至少一个帮锚索。

铺设在巷道顶板上的钢筋网、顶钢带以及每根钢带上间隔布置的顶锚杆，间排距为900mm×900mm，顶锚杆规格为∅20mm×2400mm 螺纹钢树脂锚杆，还包含设置在巷道两侧的帮锚杆，间排距为900mm×900mm，板规格为∅18mm×2000mm 螺纹钢树脂锚杆，每根顶钢带上增设顶锚索，顶锚索规格为∅17.8mm×5200mm 钢绞线，顶锚杆位于顶钢带的最中间两排，相邻顶钢带上的顶锚杆呈交错排列，总体上呈“Z”字形排列，顶钢带为12#槽钢。如图1所示，同时还包含增设在巷道工作面两侧的钢筋网及帮钢带，相距一定距离的帮钢带上增设一个帮锚索，帮锚索规格为∅17.8mm×3500mm钢绞线。

图1 601运输顺槽支护优化后平面示意图

3.2 支护优化后

（1）601 运输顺槽断层区顶板支护优化后，减少同一排锚杆数量，增加锚索数量，将原来的单锚索更换为锚杆、锚索联合同排支护，从而实现了锚杆（索）组合梁（拱）支护和悬吊支护同步施工，通过锚索将锚杆支护区域岩体进行悬吊，控制锚杆支护区域岩体下沉量，从而提高锚杆支护质量。

（2）通过对两帮增加钢筋网、锚索构件，控制断层区巷帮煤体出现破碎现象，提高两帮岩体稳定性，采用巷道顶板和两帮同时加固的原则，加强两帮支护，大大增强支护效果，避免了因两帮失稳导致巷道顶板稳定性下降、顶板断裂破碎现象。

（3）由于原顶板采用的W 型钢带厚度小且支护强度低，在应力区支护时钢带极易出现变形现象，不利于工作面后期回采时回收，而顶板支护优化后顶板W 型钢带更换为槽钢，不仅可回收重复利用，而且改变了原有钢带强度不足的现状。

3.3 实际应用效果分析

2021年8月17日早班对601运输顺槽顶板支护进行优化，截止8 月25 日巷道已掘进至925m，巷道已过断层应力区，通过对断层区每隔20m 安装一台YH-300 型顶板离层仪，共计安装两台，通过10d 现场观察发现，支护优化后，应力区顶板下沉、破碎现象明显降低，在0～5d 范围内围岩出现塑性变形，顶板支护未起到有效的耦合支护作用，顶板出现小量下沉现象，随着支护作用体现，顶板下沉量逐渐减小，在第8d顶板停止下沉，顶板总下沉量为0.14m。

4 结束语

巷道掘进期间围岩控制是重要一项环节，通过对围岩采取合理有效的支护技术，从而降低围岩变形、破碎现象，防止顶板事故，保证巷道安全掘进，但是在实际巷道掘进过程中，由于受地质构造、煤岩层结构以及支护技术等影响，采用传统的单锚杆（索）支护时，支护单一、支护效果差，达不到预期支护效果；长春兴煤矿601运输掘进过程中针对锚杆支护失效机理，对原支护进行优化改进后，在不增加支护成本费用得同时，大大提高了支护质量，简化了支护工序，满足大断面巷道破碎围岩支护作用，具有一定的推广意义。