掘进巷道破碎顶板支护技术的应用

2021-06-05杨存兵

机械管理开发 2021年4期

关键词：金属网锚索断层

杨存兵

（晋能控股煤业集团有限公司朔州煤电有限公司山西宏宇诚铸建设工程有限公司,山西朔州 038300）

1 中煤平朔井工三矿39201主运输顺槽掘进概况

39201主运输顺槽设计长度为1824m，巷道掘进断面规格为宽×高=5.6 m×4.5 m，从九煤东翼辅运大巷开口施工。

39201主运输顺槽掘进煤层为9号煤层，平均厚度为9.54 m，为特厚煤层，煤种牌号为长焰煤，该煤层及围岩属于石炭系上统太原组下部含煤岩段，煤层走向北西-东南、煤层倾角0°～18°。

巷道掘进至750 m处揭露一条F7正断层，断层落差为1.6 m，倾角为54°，由于巷道掘进期间预留顶煤，巷道掘进过F7断层时顶煤稳定性差，顶板出现掘进破碎现象，当巷道掘进至730 m处时巷道围岩应力加大，顶板出现局部冒落，巷道掘进速度降低至3.2 m/d，严重制约着巷道安全高效掘进。

2 巷道顶板破碎原因分析

1）围岩应力高：39201主运输顺槽掘进期间受F7断层影响，巷道围岩应力相对较高，通过对断层区围岩应力监测发现，断层区围岩应力是普通围岩应力的3.5倍，从而导致巷道过断层期间出现围岩失稳现象，主要体现在顶板破碎、煤壁片帮现象。

2）围岩强度低：39201主运输顺槽沿9号煤层底板平行掘进，预留顶煤厚度为5.04 m，而9号煤层稳定性差，煤体单轴抗压强度不足15 MPa，巷道掘进时在开挖应力作用下顶板煤体出现应力破坏作用，破坏了顶煤承载结构，导致顶板破碎、冒落等。

3）支护强度低：39201主运输顺槽前期主要采用锚杆、网联合支，但是通过现场观察发现，原顶板支护在断层区支护效果差，支护失效率高，主要有以下几方面原因：锚杆支护深度有限，而且原支护设计中顶板采用的是金属网，强度低，顶板破碎后很容易造成网片撕裂现象，无法有效维护破碎顶板；锚杆在施工过程中支护质量差，锚杆锚固段未能安装在坚硬顶板中，导致锚杆失效现象严重。

3 破碎顶板支护优化

3.1 原顶板支护优化

为了进一步提高断层破碎区顶板支护质量，加强破碎顶板控制力度，决定对原顶板永久支护进行优化。

1）由于原顶板锚杆长度为2.0 m，而断层破碎带处顶板围岩松动圈深度达1.8 m，锚杆采用端头锚固方式，锚固长度为0.35 m，锚杆锚固段位于松动圈内，在应力作用锚杆锚固效果差，所以决定对原锚杆进行优化，优化后锚杆长度为2.5 m，锚杆采用加长锚固方式，锚固长度为0.95 m，每排布置6根，锚杆间距为1.0 m，排距1.0 m，如图1所示[1-2]。

2）原顶板中金属网采用8号铅丝编制而成，金属网为棱形网格，网格为50 mm×50 mm，金属网长度为6.5 m，宽度为2.0 m，棱形金属网承载能力低，最大抗载荷强度不足150 MPa，所以为了提高金属网护顶强度，决定对应力区顶板铺设钢筋网，钢筋网采用直径5 mm圆钢编制而成，每片钢筋网长度为3.5 m，宽度为2.0 m，钢筋网抗压强度为380 MPa。

图1 39201主运输顺槽破碎顶板联合支护断面示意图（单位：mm）

3.2 锚索梁加强支护

为了进一步提高断层破碎区顶板支护强度，永久支护优化后决定对顶板施工锚索梁支护。

1）巷道在过断层前后10 m范围内顶板施工锚索梁支护，锚索梁施工排距为2.0 m，每架锚索梁长度为4.5 m，锚索梁主要由工字钢梁、锚索联合组成[3-4]。

2）每架锚索梁配套两根锚索，锚索长度为7.0 m，直径为21.8 mm，同一排锚索布置间距为3.0 m。

3）锚索梁施工工序如下：首先在破碎顶板处相邻两排锚杆之间施工两个锚索钻孔，钻孔深度为7.0 m，钻孔直径为30 mm，钻孔间距为3.0 m；锚索支护孔施工完后，对钻孔依次填入锚固剂以及锚索，并采用MT-130型钻机进行搅拌，搅拌时间为180 s，锚索锚固后确保锚固力不得低于370 kN，锚索外露长度控制在0.3～0.4 m范围；锚索安装后在锚索外露端安装一根工字钢梁，并采用锁具对其进行预紧，预紧后保证钢梁与顶板接触严实。

3.3 实际应用效果分析

截至2020年3月18日，巷道已掘进800 m，通过对F7断层破碎区顶板支护进行合理优化并安装锚索梁支护后，通过现场观察发现，顶板支护优化并安装锚索梁支护后，在0.5 d范围内收顶板的蠕动变形影响，顶板变形量相对较大，在5～12 d内顶板破碎岩体与顶板支护实现了耦合支护作用，顶板变形量逐渐减小，在12 d后顶板变形量区域稳定，在此期间顶板最大下沉量为0.12 m[5]。

39201主运输顺槽断层破碎区顶板支护优化后，大大提高了巷道掘进效率，巷道掘进速度提高至6.4 m/d。支护优化后顶板支护失效现象得到了有效控制，支护失效率控制在3%以下。