大斷面半煤運輸巷多層次支護技術應用研究

柴會斌

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦現階段主要負責井田范圍內2#煤層的開采，2#煤屬于穩定可采中厚煤層，煤層結構相對簡單。2#煤厚度介于1.5~2.18m，平均厚度1.84m，煤層傾角2°~8°，平均傾角5°。煤層頂底板特征見表1。第三采區地表位于工業廣場西南部，地表形態為黃土垣梁地貌，地表大部分為農田，工作面位于平垣村保安煤柱范圍內，黃土覆蓋厚度23~59m，基巖厚426~479m。

該礦第三采區運輸巷設計斷面寬度為5.2m，高度為3.8m，巷道沿2#煤層頂板掘進。當成巷20d左右，三采區運輸巷頂板下沉明顯，局部頂板下沉量達到1m，已影響巷道的正常使用。

2 原有支護體系及巷道變形特征

山西霍寶干河煤礦2#煤層工作面采用綜合機械化一次采全厚回采工藝，由于煤層厚度較小，為滿足產量的要求，工作面推進速度非常快，采煤工作面搬家頻繁，回采巷道掘進速度較快，導致支護效果較差，巷道圍巖位移嚴重。該礦每個采區布置三條準備巷道，分別為采區運輸巷、軌道巷和回風巷。巷道凈寬為5.2m，凈高為3.4m，掘進斷面寬為5.5m，高為3.8m，準備巷道間保護煤柱寬度為20.0m。第三采區運輸巷的特點為：跨度大，半煤巷，掘進斷面大。支護方式主要為普通的錨網索聯合支護，以錨桿支護為主，通過錨索提高支護強度，這種支護方式成巷后頂板明顯下沉，局部下沉量最大可達1.0m，嚴重影響煤炭的正常生產，并且存在嚴重的安全問題。

表1 頂底板特征表

圖1 巷道頂板破壞特征

原有支護體系下三采區運輸巷的破壞特征如圖1 所示，圖1（a）為頂板下沉示意圖，下沉量在350~600mm，某些區域頂板下沉量可達到1000mm。由于要求較快的巷道掘進速度，導致支護質量整體較低，頂板風化碎裂嚴重，局部出現錨索托板錨空、錨索斷裂等現象。巷道頂板冒落的主要形式為整體切落式冒落，切落角一般為65°左右，對一些冒頂區域挑頂后頂板巖層的結構如圖1（b）所示。煤巷下位頂板主要為泥巖，巖層內層理、裂隙發育完全，分層較多，層間粘結力非常差，并且含有較多軟弱夾層，夾層厚度一般為0.1m 左右。

3 大斷面煤巷層狀頂板多層次支護技術分析與應用

3.1 加固機理分析

組合梁理論認為，巷道頂板有多個巖層，可以看作是一種以道路兩側為支點的梁。錨桿用于將層結合成整體的組合梁，以防止巖石沿著層滑動并避免層的分離。在上覆載荷作用下，該厚復合梁的最大彎曲應變和應力將大大減小，并且偏轉也將減小。根據組合梁理論建立如圖2 所示的受力模型，在未進行錨桿支護時，巷道頂板巖層為單獨的層狀薄板，在豎直方向上的應力及水平力的作用下發生彎曲變形，并且存在著水平方向上的相互錯動，頂板下沉量會較大，如圖2（a）所示。而經過錨桿支護后將頂板巖層的軟弱結構面進行加固，將頂板巖層聯結為一個更為完整的梁，根據材料力學的知識，其彎曲變形在同等受力條件下會大大減少[1-2]。

3.2 大斷面煤巷層狀頂板多層次支護技術應用

為了有效地解決運輸巷頂板巖層離層、圍巖變形量過大的問題，結合錨桿支護的組合梁理論、懸吊理論對大斷面煤巷層狀頂板的穩定性控制進行設計研究，主要為了增強巷道頂板的連續性、整體性，避免頂板巖層之間的相互錯動，加強巷道頂角處變形的治理，減少巷道的整體變形量。設計的錨桿、錨索支護體系主要原則為“長短結合、強弱結合、疏密結合”，根據山西霍寶干河煤礦第三采區運輸巷頂板跨度大、層間粘結性不強、層間含有較多軟弱夾層等的具體條件，設計應用以長錨桿、短錨索和長錨索為主體結構的支護體系，來提高圍巖的整體性，有效地降低由于巷道開挖對頂板的破壞[3-4]。

圖2 組合梁結構示意圖

（1）長錨桿：錨桿長度為2.8~3.2m 之間。錨桿長度必須大于極易冒頂的非穩定層邊界，采用全長錨固，盡可能地將層狀頂板聯結為一個整體，避免巖層間的錯動。根據準備巷道斷面跨度較大、頂板分層較多并且非常薄，必須利用錨桿提供的預緊力在淺部頂板形成較高的法向應力。綜合考慮設計頂板采用 MSGLW-500/22-3200 型高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距1.2m，間距1.0m，與兩幫煤壁的距離為0.25m。兩幫采用MSGLW-500/22-2800型高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距為1.2m。

（2）短錨索：錨索長度為5.4m。該類型的錨索主要作用于非穩定層和深部穩定巖層之間的亞穩定巖層，增強該區域內巖層的整體性，增加頂板層間滑移阻力，在一定程度上繼續提高非穩定層的整體性，提高其自穩能力，將巷道頂板處的應力集中轉化為一個更大的結構來承載。選用SKP22-1/1720-5400 型錨索，頂板短錨索排距為2.4m，間距為1.5m，與兩側煤壁的距離均為0.4m，對稱布置；煤幫采用相同型號的短錨索，排距為1.2m，間距為0.8m。

（3）長錨索：錨索長度為7.4m。根據懸吊理論，將非穩定層及亞穩定層聯結的整體通過長錨索懸吊于上部的穩定層中，有效地降低巷道頂板的應力集中，增強巷道周圍煤巖體的整體性。根據回風順槽頂板的發育情況，選用型號為SKP22-1/1720-7400型錨索，錨索的間排距與短錨索相同，與煤壁的距離為1.25m。

多個層次的支護設計如圖3 所示。在安裝錨索位置處焊接兩段縱筋，在錨桿排距之間鋪設鋼筋網型號為GW6.5/100-2.3×1.35，防止小塊煤巖體的掉落。在巷道兩個頂角處錨桿采用斜打頂角錨桿，抑制巷道的形狀扭曲。錨桿、長錨索及短錨索形成連續的預應力結構共同承載，最終達到保證圍巖的長期穩定的目的。

圖3 多層次錨桿支護體系示意圖

4 應用效果

目前，干河煤礦第三采區運輸巷已經施工完畢，為考察支護的效果，在運輸巷掘進過程中，距離迎頭處20m、50m、100m 分別布置測點1、2、3，觀測新支護體系的應用效果。監測結果整理后如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形量監測結果

由運輸巷圍巖表面位移監測結果可知，第三采區運輸巷圍巖變形主要集中在成巷后前50d 內，頂板下沉量最大可達70mm，兩幫移近量最大可達145mm，之后巷道圍巖基本穩定。由此可知，通過采用多層次支護結構，能夠有效地治理第三采區運輸巷頂板過度下沉的問題，使其滿足第三采區工作面通風、運煤和安全等要求。

5 結論

通過現場巷道頂板圍巖挑頂觀察得知，第三采區運輸巷頂板圍巖屬于層狀頂板，主要變形形式為頂板下沉。通過理論分析結合組合梁理論，設計有效的支護體系，現場應用及巷道圍巖穩定性觀測結果表明很好地控制了層狀頂板的過度下沉，滿足煤礦生產的要求。