孫軍權

（山西陽城陽泰集團小西煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048105）

巷道掘進期間受斷層、陷落柱、節(jié)理等地質構造影響，破壞巷道圍巖穩(wěn)定性及力學性質，在構造應力及巷道開挖應力作用下，巷道過構造應力區(qū)時，巷道圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在頂板破碎冒落、巷幫片幫等。其中頂板破碎冒落對巷道掘進影響最大，由于頂板破碎區(qū)巖體穩(wěn)定性低、承載能力小，并形成不同深度的圍巖松動圈[1]，導致破碎區(qū)頂板采用錨桿、錨索支護效果差，頂板控制難度大。本文以小西煤礦3106 巷為例，對巷道掘進期間過斷層破碎區(qū)時頂板破碎機理進行分析，并提出了合理有效的聯(lián)合支護技術，力求保證巷道安全快速過破碎區(qū)。

1 工程概述

山西陽城陽泰集團小西煤業(yè)有限公司3106 巷位于礦井一盤區(qū)東側，巷道西部為盤區(qū)大巷，南部為3106 回采區(qū)域，北部為實煤區(qū)，掘進工作面對應地面范圍內無村莊，無公（鐵）路。地面標高為+1 152～+1 250 m，井下標高+520～+510 m。

3106 巷從一盤區(qū)運輸大巷開口施工，巷道沿3#煤層底板掘進，掘進煤層厚度為4.13 m，平均傾角為4°，巷道設計為矩形斷面規(guī)格，巷道設計長度為2 300 m，設計寬度為4.5 m，設計高度為4.0 m。3106 巷直接頂主要以炭質泥巖為主平均厚度為4.2 m，巖體視密度為3 411 kg/m3，抗壓強度24 MPa，抗拉強度1.1 MPa，屬半硬巖石；老頂主要以細粒砂巖為主，平均厚度為11.2 m，2 629 kg/m3，抗壓強度51.8 MPa，抗拉強度3.6 MPa，屬堅硬巖石。

2 巷道掘進地質現(xiàn)狀及問題分析

2.1 掘進地質條件

3106 巷地質條件相對簡單，主要以斷層構造為主。根據(jù) 《山西陽城陽泰集團小西煤業(yè)有限公司3106 巷掘進地質勘探報告》顯示，3106 巷掘進期間共計揭露3 條正斷層，分別位于210 m、440 m、800 m處。其中210 m、440 m處揭露的斷層最大落差為0.9 m，平均傾角為48°，對巷道掘進影響小；位于800 m處F3斷層落差為1.7 m，平均傾角為56°，斷層與巷道斜交，夾角為67°，該斷層對巷道影響較大，預計影響巷道掘進長度為60 m （770～830 m段），形成斷層破碎區(qū)。

2.2 巷道掘進現(xiàn)狀

3106 巷主要采用綜合機械化掘進工藝，巷道頂板主要采用W型鋼帶、棱形金屬網(wǎng)、錨桿、錨索聯(lián)合支護，截止目前巷道已掘進787 m。

3106 巷掘進至772 m處時，巷道頂板位于兩幫肩角煤柱預留困難，出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，隨著巷道掘進碎區(qū)域向巷道頂板中部延伸，當巷道掘進至785 m 處時，巷道頂板破碎嚴重，且伴隨著巷道上覆巖層下沉、離層現(xiàn)象，最大下沉量為440mm ，巷道兩幫肩角煤柱垮落現(xiàn)象嚴重，兩幫收斂量達820mm。

2.3 主要問題分析

根據(jù)現(xiàn)場觀察以及總結分析發(fā)現(xiàn)，3106 巷在過斷層破碎區(qū)期間頂板出現(xiàn)破碎下沉、巷幫片幫等現(xiàn)象，其主要原因有以下幾方面：

（1）構造應力影響：3106 巷在過F3斷層前，斷層應力在圍巖中處于平衡狀態(tài)。隨著巷道開拓延伸，當巷道掘進至斷層影響區(qū)時，構造應力通過巖體傳遞進入開挖空間并進行釋放，應力釋放過程中對巷道圍巖產(chǎn)生剪切破壞作用[2]，使巷道頂板產(chǎn)生裂隙并逐漸形成圍巖松動圈，破壞了頂板巖體整體穩(wěn)定性。

（2）圍巖結構影響：由于3106 巷支護時采用液壓油鉆進行鉆孔施工，因鉆具對鉆孔沖水作用，鉆孔施工過程中頂板產(chǎn)生大量淋水。而頂板為黑灰色炭質泥巖，該巖體在水流浸泡作用下會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，同時該巖體單軸抗壓強度低，巖體成脆性[3]，在應力作用下頂板巖體出現(xiàn)斷裂、破碎現(xiàn)象。

（3）支護設計不合理：原支護設計中錨桿、錨索屬于主動支護，利用錨桿（索）懸吊作用、組合拱作用實現(xiàn)頂板控制。但在應力頂板中錨桿（索）錨固后應力對桿體鉆孔壁巖體產(chǎn)生徑向剪切破壞作用，導致錨桿（索）錨固失效現(xiàn)象嚴重，降低了錨桿（索）支護作用。

3 破碎頂板聯(lián)合支護設計

為了進一步提高3106 巷斷層破碎區(qū)頂板穩(wěn)定性，遏制頂板事故發(fā)生，決定對原頂板支護進行優(yōu)化，并采取“桁架錨索支護+ 支設密集鋼棚”聯(lián)合加強支護，見圖1。

圖1 3106 巷破碎頂板聯(lián)合支護斷面

3.1 原支護設計優(yōu)化

（1）鋼帶優(yōu)化：為了提高巷道頂板支護截面積，在斷層破碎頂板處采用 “JW” 型鋼帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“W”型鋼帶，JW型鋼帶長度為3.8 m，寬度為0.28 m，鋼帶上均勻布置4 個直徑為30 mm 支護孔，孔間距為1.2 m，“JW”型鋼帶支護截面積為1.06 m2，載荷強度為270 MPa。

（2）錨桿布置優(yōu)化：為了減少支護鉆孔數(shù)量，降低鉆孔施工時對頂板不穩(wěn)定巖體產(chǎn)生擾動影響，從而產(chǎn)生頂板二次破壞作用，同時為進一步提高肩角煤柱穩(wěn)定性，優(yōu)化后頂板由原來的每排5 根錨桿縮減為2 根錨桿2 根錨索，錨索施工在肩角煤柱上，錨索長度為3.5 m，偏角為60°，見圖1。

3.2 桁架錨索支護

（1）桁架支護機理：桁架支護屬于主動支護，通過對圍巖施工兩根斜角桁架支護體并利用桁架拉桿對兩根支護體施加水平方向的預應力，支護體施加預應力作用力后對煤體產(chǎn)生一個斜向上的反向作用力，該作用力在水平方向和垂直方向分力分別為Fx、Fy，分力Fx可削弱圍巖垂直應力破壞作用[4]，從而達到控制圍巖穩(wěn)定性的目的，見圖2。

（2）桁架支護結構：3106 巷破碎頂板采用的是桁架錨索支護，錨索直徑為21.8 mm，長度為5.3 m；每架桁架錨索支護配套兩根桁架圓鋼托架，每根托架長度為1.6 m，直徑為23 mm；同時配備一根雙向張拉器，見圖2。

圖2 桁架支護原理

（3）桁架支護施工工藝：①首先在巷道破碎頂板處采用錨索鉆機施工兩根斜角錨索鉆孔，孔間距為3.0 m，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔斜角為72°，鉆孔施工完后依次對鉆孔內注入錨索。②錨索錨注后在其外露段依次安裝圓鋼托架以及鎖具，在兩根圓桿托架端頭安裝一根雙向張拉器并預緊，預緊力為270 kN；桁架錨索支護排距為2.0 m。

3.3 架設密集工字鋼棚

（1）鋼棚支護目的：頂板錨桿、錨索以及桁架支護屬于主動支護，當頂板失穩(wěn)后主動支護錨固效果相對較差，降低了支護性能；而鋼棚支護屬于被動支護，通過架設鋼棚進一步提高頂板穩(wěn)定性加強主動支護效果。同時鋼棚支護可提高頂板應力承載作用[5]，降低了巷幫煤柱應力傳遞破壞作用，避免巷幫片幫、收斂現(xiàn)象。

（2）鋼棚結構組成：鋼棚主要由頂梁、棚腿、卡纜、連接桿、底座等部分組成，頂梁長度為4.2 m，棚腿長度為4.0 m，頂梁、棚腿主要有11#工字鋼切割而成。

（3）鋼棚安裝工藝：①3106 巷破碎區(qū)安裝矩形鋼棚排距為1.0 m，鋼棚安裝順序為：底座→棚腿→頂梁→連接桿； 鋼棚安裝后必須牢固可靠，鋼棚頂梁與頂板必須接觸嚴實并具有一定的預緊力。②在安裝同一家鋼棚兩根棚腿時必須拉線固定，確保兩根棚腿中心線與巷道中線垂直，每根棚腿采用一根錨桿與巷幫進行固定。

4 結語

小西煤礦分析了3106 巷頂板破碎機理，并提出了優(yōu)化頂板支護設計以及采取“桁架錨索支護+支設密集鋼棚”聯(lián)合加強支護技術，通過實際應用取得了顯著應用成效：

1）通過優(yōu)化原頂板支護設計后，提高了頂板支護斷面，加強了肩角煤柱控制維護，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)鋼帶兩端采用斜角錨索后，肩角煤柱穩(wěn)定性得到有效提高，未發(fā)生垮落現(xiàn)象；同時優(yōu)化后減少了頂板錨桿支護數(shù)量，縮短了支護時間，避免了密集鉆孔施工時對頂板產(chǎn)生擾動破壞作用。

2）3106巷破碎頂板采用桁架支護后，削弱了應力對頂板破壞作用，防止了圍巖松動圈范圍進一步擴大，提高了頂板錨桿（索）支護質量。通過實際應用發(fā)現(xiàn)，采用桁架支護后頂板下沉量降低為140mm以下，控制頂板離層現(xiàn)象。

3）通過對3106 巷破碎頂板架設密集工字鋼棚后，提高了頂板應力承載能力，頂板斷裂現(xiàn)象得到有效控制，同時安裝鋼棚后巷幫煤柱受力變小，兩幫收斂量控制在230mm以下，提高了巷道成型率。