冀永林

（晋能控股煤业集团四明山煤业有限公司，山西 高平 048405）

巷道在掘进前岩体内应力处于多向平衡状态。巷道掘进后在开挖应力、构造应力等作用下，破坏了岩体原岩应力平衡状态[1]，围岩处于二向或单向应力状态，导致围岩出现失稳现象[2]。其主要表现为巷道顶板下沉、破碎，底板鼓起以及两帮收缩等。这些矿压现象不仅降低了巷道成型率及巷道掘进效率，且很容易造成顶板冒漏、巷帮垮落等安全事故。目前巷道支护普遍采用单一的锚杆（索）支护，而应力区破碎围岩由于岩体稳定性差[3]，岩体在应力作用下形成较大的围岩松动圈[4]，锚杆（索）在松动圈内进行锚固支护时，锚固质量差，无法及时将预应力通过杆体传递至稳定围岩中，无法实现对应力区围岩进行悬吊、组合拱（梁）支护作用[5]，大大降低了锚杆（索）支护效果。所以，对于应力区围岩，采取合理有效的支护措施，对提高围岩稳定性、控制围岩变形具有重要意义。本文以四明山煤矿9102 运输顺槽为研究对象，针对巷道掘进期间出现的围岩破碎区采取了相应的支护措施。

1 概述

晋能控股煤业集团四明山煤业有限公司9102运输顺槽位于一采区南翼，东部为9101 工作面采空区，南部为井田边界保安煤柱，西部为9102 工作面，北部为一采区三条大巷。

9102 运输顺槽设计长度为1 153 m，巷道为矩形断面，宽度为4.2 m，高度为3.2 m，巷道掘进煤层为9#煤层，煤层位于太原组中下部，煤层平均厚1.59 m，赋存区稳定可采，结构简单。煤层直接顶为砂质泥岩，厚度为3.12 m，基本顶为石灰岩与细粒砂岩混合层，厚度为8.7 m，岩体为灰黑色，稳定顶板，如表1所示。

表1 9#煤层顶底板岩性汇总

9102 运输顺槽原设计采用锚杆（索）、钢带联合支护，顶板每排布置5 根反麻花式锚杆，锚杆杆体长度为2.0 m，直径为18 mm，锚杆间排距为1.0 m，锚杆外露端采用一根长度为4.2 m，宽度为0.15 mm 型钢带以及螺母进行联合预紧；顶板每排布置2 根长度为5.3 m，直径为17.8 mm 锚索，锚索间距为1.8 m，排距为3.0 m。

2 巷道掘进现状及问题分析

2.1 巷道掘进现状

9102 运输顺槽采用EBZ200 型掘进机掘进，截至2020年9月17日巷道已掘进462 m。巷道掘进至455 m 处时揭露一条F7断层，如图1所示。该断层为逆断层，断层与巷道以78°斜交，断层基本参数为：H=1.7 m、∠42°； 断层侵入后破坏了岩体稳定性，并在断层附近形成构造应力区，导致巷道掘进至450 m 时巷道顶板出现破碎、下沉现象，实测最大下沉量为0.45 m；当巷道掘进至460 m 时，顶板中部出现冒漏，冒漏高度为1.4 m，原支护方式在冒漏区范围内支护效果差，无法有效控制冒漏区附近围岩。

图1 9102 运输顺槽F7 断层布置平面

2.2 巷道顶板破碎成因分析

（1）围岩稳定性：9102 运输顺槽直接顶为砂岩与泥岩混合层，岩体致密性差，岩体岩石普氏系数f=1.5，岩体抗压强度低。通过现场对岩体采集发现，直接顶岩体成层状结构，岩体在应力作用下出现局部离层现象，巷道顶板一旦出现离层时，离层处岩体出现应力剪切破坏现象，导致岩体整体稳定性降低，破坏了岩体力学稳定结构。

（2）构造应力影响：F7断层构造应力在断层处进行释放，应力释放过程中对两盘岩体产生水平拉应力破坏作用，导致两盘岩体出现破碎现象。

（3）原支护强度低：9102 运输顺槽过断层期间，顶板受应力破坏严重，并形成围岩松动圈，通过钻探窥视发现围岩松动圈直径达2.2 m，原顶板锚杆长度为1.8 m，锚杆锚固端位于松动圈内，锚杆锚固效果差，杆体预应力无法及时传递至稳定岩体中，降低了锚杆悬吊支护作用；同时顶板采用M 型钢带，钢带强度低且支护截面积小，当顶板出现下沉、破碎时M 型钢带承载能力小，易出现变形、断裂现象。

3 巷道支护方式优化

3.1 锚杆（索）参数优化

（1）顶板锚杆支护优化：为了提高锚杆锚固效果，将原反麻花式锚杆更换为无纵筋螺纹钢锚杆，该锚杆杆体长度为2.5 m，直径为22 mm，锚杆布置间排距不变，螺纹钢锚杆最大屈服强度为450 MPa。

（2）顶板钢带优化：将M 型钢带更换为W 型钢带，W 型钢带横截面成W 型，抗压效果好，钢带规格为长×宽=4.2 m×0.28 m。

（3）顶板锚索支护优化：由于原锚索属于点性支护，为了提高锚索联动支护效果，将原锚索布置参数进行优化，采用线性恒阻锚索支护，优化后顶板每排布置3 根长度为6.0 m，直径为21.8 mm锚索，锚索间排距为1.5 m×3.0 m，同一排锚索外露端采用一根长度为3.2 m，宽度为0.15 m 槽钢进行预紧。

3.2 桁架锚索支护

（1）桁架锚索支护原理

锚杆（索）支护主要通过锚固剂将支护体锚固在钻孔内，然后对锚杆（索）施加预应力，并将预应力传递至围岩中，从而实现锚杆悬吊作用以及应力组合梁（拱）作用。但锚杆支护在9102 运输顺槽断层破碎应力带无法对顶板施加主动应力； 而桁架支护在锚杆（索）支护作用下，对顶板产生斜向上的分力，从而削弱顶板应力破坏作用[6]，支护原理如图2所示。

图2 9102 运输顺槽应力破碎区联合支护

（2）支护工艺

①9102 运输顺槽采用的桁架锚索主要由桁架托杆、预紧张拉器、桁架锚索等部分组成，桁架锚索长度为4.0 m，直径为17.8 mm，桁架托杆共计两根，每根长度为1.2 m，托杆两端为圆柱状，中部为方形，保证支护时圆钢托架对顶板具有足够的支撑作用力。

②桁架锚索钻孔布置间距为2.0 m，钻孔与顶板成75°夹角对称布置，钻孔深度为6.0 m，直径为30 mm，钻孔施工完后立即锚注两个锚索。

③在同一排两根桁架锚索外露端各安装一根桁架托杆，并利用预紧张拉器对两根桁架托杆施加张拉预紧力，预紧后保证桁架托杆与顶板接触严实，并确保桁架托杆对两根锚索施加预应力。

3.3 超前管棚支护

为了避免因应力作用出现破碎现象，掘进前对巷道前方断层破碎带煤体施工一排超前管棚。

（1）超前管棚材料为中空无缝钢管，长度3.5 m，直径为35 mm，钢管端头为尖锐状，每排布置15根管棚，间距为0.3 m。

（2）超前支护钻孔布置在巷道顶板，并与巷道迎头煤体垂直布置，钻孔设计深度为3.8 m，直径为40 mm，钻孔施工完后将超前管棚支护体插入钻孔内，巷道在掘进过程中以管棚支护为顶板，并将钢带施工在管棚支护下方。

（3）在施工超前管棚支护时，现场用激光给定管棚支护中心线，保证管棚支护施工完后在同一水平面上，单根管棚施工时保证在垂直面上偏差角控制在3°范围内。

4 应用效果分析

截止2020年10月2日，9102 运输顺槽已掘进540 m，且巷道已完全穿过F7断层应力影响区。巷道过应力区期间，从460 m 处开始顶板每隔15 m布置一个顶板离层仪，共计布置2 个，在450～460 m 段（注：此段范围内顶板采用原支护方式，未联合支护）顶板安装同型号的顶板离层仪，进行对比分析，通过20 d 现场观察发现：

1）采取联合支护前，450～460 m 段巷道0～9 d 时间内，顶板下沉量较大，下沉量为0.38 m，9～17 d 时间内下沉量逐渐减小，第16 d 后顶板趋于稳定，顶板总下沉量为0.45 m，如图3所示。现场锚杆（索）拉拔试验发现，巷道支护失效现象严重，每20 根支护体中有3 根失效，失效率达15%。

图3 应力破碎顶板支护优化前后下沉量变化曲线

2）采取联合支护措施后，460～540 m 段巷道0～8 d 内，顶板产生蠕动变形现象，下沉量为0.14 m；8～14 d 期间，联合支护对流变性顶板起到耦合支护作用，顶板下沉量逐渐减小，14 d 后顶板趋于稳定，顶板总下沉量为0.19 m；顶板锚杆（索）支护失效现象得到有效控制，失效率控制在4%以下。

5 结论

1）9102 运输顺槽锚杆（索）支护优化方案解决了原锚杆（索）支护时支护强度低、支护效果差等技术难题，提高了锚杆（索）支护组合拱（梁）、悬吊作用。

2）应力区顶板采取桁架锚索支护后，削弱了断层构造应力对顶板垂直破坏作用，控制了断层破碎带围岩松动圈范围扩大，降低了围岩出现离层、下沉现象，保证了锚杆（索）支护效果。

3）施工超前管棚支护后，实现了对迎头围岩超前支护的目的，防止了巷道围岩超前破坏现象，有效控制了巷道掘进期间因支护不及时出现顶板冒漏、片帮等现象。