梁式耦合加固技術在巷道頂板控制中的應用

李 帥，李 鵬，宋士康，孔憲偉

(陜西正通煤業有限責任公司 綜采隊，陜西 咸陽 713600)

0 引言

我國很多礦區巷道埋深大，水文條件復雜，在工作面回采時兩順槽巷道經常因為壓力高、淋水量大、頂板失修，需多次支護以保證頂板安全。很多研究資料表明[1-3]，40%～50%的煤礦事故為頂板事故。頂板事故與礦山壓力、瓦斯突出突水、沖擊礦壓等關系密切[4]。所以，尋找合適的頂板加固方案對礦井的安全高效生產有著極其重要的研究意義。

在巷道頂板加固方面，國內外學者對此做了諸多研究。傳統的懸吊理論、組合梁(拱)理論強調發揮錨桿支護作用；圍巖強度強化理論[5]強調錨桿對圍巖強化作用；高預應力強力支護理論主張采用高預應力、強力支護，以提高巷道圍巖支護體力學性能[6]；耦合支護理論主張圍巖與支護在強度及剛度上耦合，以提高整個支護體系的穩定性[7]；疊加拱承載體強度理論針對圍巖二次支護，提出由主、次壓縮拱共同構成疊加拱承載體來有效控制圍巖穩定[8]。為此，主要從二次支護的優化方面入手，采用梁式耦合加固技術加強頂板控制，通過一次架設工字鋼，有效避免了兩順槽頂板多次補打錨索的加強支護手段，既控制了頂板安全又節省了巷道支護成本，對同類型的巷道頂板控制提供了可行性的支護建議。

1 工程概況

1.1 工作面概況

104工作面為一盤區第4個工作面，開采延安組4煤層。井下位于西部一盤區回風大巷東部，北部為101、103、102采空區，附近周圍均為石炭區。工作面底板標高+78.264～+110.92 m，工作面回采長度1 276 m，面寬112 m，面積約142 912 m2，煤層厚度9.3～16.4 m，均厚為12.85 m，屬于特厚煤層，煤層傾角2°～6°，平均3°。老頂為中粒砂巖，平均厚度3.9 m；直接頂以泥巖為主，平均厚度0.44 m；直接底為鋁質泥巖，平均厚度2.45 m；老底為泥巖，平均厚度20.95 m。

1.2 運輸順槽支護參數

104運輸順槽規格：矩形斷面，巷道凈寬6.0 m，凈高3.6 m，凈面積21.6 m2。具體支護參數如下。

錨桿：采用φ22 mm左旋無縱勒高強預應力讓壓錨桿，長度2 800 mm，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排錨桿為6根，托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm的高強度球型托盤，每孔用2支MSK2850樹脂藥卷，鋼帶規格為5 600 mm×250 mm×2.75 mm的W型鋼帶。

錨網：頂板采用規格為6 200 mm×1 350 mm的塑鋼網，兩幫采用規格為2 700 mm×1 350 mm的雙向拉伸塑料網，網片之間搭接使用，網片搭接長度不小于100 mm，網片之間每隔300 mm用12#鐵絲連接牢固。

錨索：沿巷道掘進方向布置五路錨索(五花布置方式，及錨索梁布置方式為“三二三”)，錨索梁排距為4 000 mm(即錨索排距為2 000 mm)；中間一路錨索按巷道中心線偏左200 mm布置，其他四路錨索距巷道中心線1 100 mm及2 200 mm對稱布置，同一路錨索梁端頭至端頭間距1 500 mm，錨索均采用1×19-φ21.8 mm的預應力非鍍鋅鋼絞線截制而成，長度均為6.5 m(隨煤厚變化情況及時調整并及時補充措施)，每條錨索梁2條錨索線，錨索線打設垂直于巖面，每孔裝入3支MSK2350樹脂藥卷。錨索梁采用高凸梯形鋼帶加工制作而成，規格為2 500 mm×140 mm×8 mm，兩錨索孔間距為2 000 mm。每條鋼鉸線使用一個鋼板托盤和一個與鋼鉸線配套的QLM型鎖具固定，配套托盤使用鋼板制作90 mm×90 mm×8 mm(長×寬×厚)。具體支護方式如圖1所示。

a-運輸順槽走向剖面圖；b-運輸順槽支護參數剖面圖圖1 104工作面運輸順槽走向及支護剖面圖

2 梁式耦合加固技術

2.1 梁式耦合加固技術控制頂板原理

高家堡煤礦104工作面運輸順槽頂板巷道-梁耦合作用主要表現為：低位巖層中形成的錨桿組合梁既可有效控制淺部巖層，又可以促進深部錨索壓縮拱的形成，改善巷道周圍應力狀態，提高其承載能力。深部巖體的錨索承載拱一方面可以減緩下部工字鋼梁承受的垂直應力和水平應力，具有較好的減壓作用；另一方面使組合梁的實際受力跨度減小，從而減小其承受的最大拉應力，具有減跨作用。工字鋼梁與錨桿錨索形成的壓力拱互為依托，相互耦合，構成了巷道支護的結構主體，形成了圍巖與支護的共同體，增強了圍巖的承載能力。具體耦合受力情況如圖2所示。

圖2 巷道耦合加固受力圖

2.2 梁式耦合加固技術施工情況

高家堡礦井位于陜西彬長礦區，屬于埋深超過800 m的大埋深礦井，水文地質條件類型屬于復雜型。104工作面巷道頂板賦存水量大，且淋水具有一定的腐蝕性。工作面推采過程中，受工作面動壓及臨近采空區靜壓影響，巷道變形明顯，頂板變形量大，同時頂板支護錨網索受淋水影響，腐蝕明顯，頂板支護強度大大降低。伴隨工作面推采，兩順槽頂板出現不同程度錨網開裂、頂板下沉、錨索斷裂甚至局部冒頂。以往針對巷道變形一般采用補打錨索加強頂板控制的方式，在頂板失修時補打錨索進行二次支護，雖然在一定程度上起到加強頂板控制的效果，但是只能局部加以控制，當工作面繼續推采時，失修部分仍能出現較大程度的變形。為解決局部補打錨索對頂板控制的局限，104工作面兩順槽優化了巷道頂板二次支護方式，采用梁式耦合加固技術加強頂板控制，通過錨索固定工字鋼(工字鋼垂直于巷道掘進方向按1 m排距布置，兩端用6.2 m錨索固定頂板)，在加強頂板二次支護的同時，使頂板連接耦合成一個整體，尤其是工字鋼進入兩順槽超前架組段時，工字鋼與架組形成整體配合，有效制止了頂板漏冒，保證了工作面正常安全推采。具體施工情況如圖3所示。

a-工字鋼與超前架配合接頂平面圖；b-工字鋼耦合加固示意圖圖3 梁式耦合加固技術施工圖

以前對頂板進行二次支護時，錨索按照間排距1 m×1 m進行布置，每米巷道布置4組(8條)6.2 m錨索，當超前架組推至補打錨索處時，局部頂板變形又需要進行補打錨索，每米巷道平均補打2條6.2 m錨索。使用梁式耦合加固技術后，每米巷道只需打設2條6.2 m錨索，架設工字鋼后即可完成頂板的二次支護。以往每條巷道頂板二次支護每班需要3人，每天需安排3班施工才能滿足工作面推采要求，使用梁式耦合加固技術，每條巷道每天只需使用3人，既能滿足工作面推采要求，在節省支護材料的同時，還能有效地減少人工消耗，又能提高了巷道頂板控制效果。

3 工程實踐效果分析

3.1 巷道頂板控制效果分析

104工作面運輸順槽端頭易發生頂板下沉事故，在使用梁式耦合加固技術對頂板加強支護后，監測距離工作面30 m范圍內的頂板下沉量，監測30次取平均值繪制出的距工作面不同距離處頂板下沉量變化曲線，如圖4所示。

圖4 距工作面不同距離處頂板下沉量變化曲線

圖4為距工作面不同距離處頂板下沉量變化曲線，由圖可知在距離工作面0 m處巷道受采動應力和超前支承壓力的雙重疊加影響，圍巖變形速率和變形量非常大，在使用原來支護方案時最大下沉量平均為2.137 m，隨著工作面的推進，巷道受到的應力逐漸降低，圍巖應力通過變形得到釋放，頂板下沉量隨著距離的增大逐漸降低；在使用耦合加固后，巷道頂板下沉量得到進一步控制，在0 m處控制效果最為明顯，相比耦合加固前，巷道頂板下沉量降低了1.182 m，控制效果提高了55.4%，隨著距離的增大加固效果逐漸降低，但是與原支護方案相比頂板下沉量得到了有效控制。

3.2 經濟效益分析

原錨索支護方式頂板加固成本為每米巷道平均使用10套6.2 m錨索、5條1.4 m梯形鋼帶，支護成本10×145.28+5×94.4=1 924.8元，自9月1日～11月4日，104工作面累計推采239.15 m，生產65 d，加強支護使用工人65×3×3=585人，人工費用280元/工×585人=163 800元。則原支護成本共計：1 924.8×239+163 800=62.382 7萬元。

優化支護方式后頂板加固成本為每米巷道使用11#工字鋼4.5 m，6.2 m錨索2套，工字鋼按照30%進行回收利用，支護成本4.5 m×26.5 kg/m×5.43元/kg×0.7+145.28×2=743.83元，人工費用65×3×280=54 600元。則優化后成本共計：743.83×239+54 600=23.237 5萬元。

顯然，該方法經濟效益為：62.382 7萬元-23.237 5萬元=39.145 2萬元。

4 結論

(1)梁式耦合支護技術適用于工作面兩順槽巷道壓力高、淋水量大、頂板失修，需多次支護以保證頂板安全的巷道。

(2)錨索固定工字鋼的耦合支護方式可使頂板連接一個整體，有效控制頂板漏冒，保證工作面的正常安全推采，提高巷道支護效果，減小頂板下沉量。

(3)梁式耦合加固技術可以減少錨桿、錨索等支護材料的費用，降低人工成本，提高經濟效益。