梯形錨棚支護在應力區巷道中應用分析

朱曉寧

（大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037001）

受構造應力、采掘應力等影響，巷道在掘進過程中經常出現頂板應力集中現象，導致巷道頂板出現破碎、下沉，甚至發生頂板垮落事故。我國多數煤礦對應力破壞區頂板采取錨桿、錨索或架設鋼棚進行加強支護，但是傳統錨桿（索）、鋼棚支護方式相對單一，在應力區頂板中支護效果差，無法實現主動與被動支護相結合支護作用，導致加強支護后，支護失效嚴重，無法滿足應力區頂板支護要求。對此，為了彌補傳統支護不足，本文對2102巷應力區頂板提出了梯形錨棚支護。

1 概述

大同煤礦集團永定莊煤業公司2102巷位于井田北盤區，巷道設計長度為1073 m，巷道斷面規格為寬×高=5.0 m×3.6 m，該巷道主要服務于8102工作面，擔負著工作面煤炭運輸任務。

2102巷掘進煤層為石炭系3#～5#煤層，煤層平均厚度為27.73 m，煤層直接頂主要以煤、泥巖混合巖層為主，平均厚度為2.2 m，基本頂主要以細砂巖為主，平均厚度為11.2 m；巷道掘進期間圍巖主要采用錨桿、錨索進行控制，頂板每排布置5根長度為2.0 m左旋無蹤跡螺紋鋼錨桿，錨桿間距為1.1 m，排距為1.0 m，頂板錨索采用長度為5.0 m，直徑為17.8 mm預應力鋼絞線，每排布置3根，間距為1.8 m，排距為3.0 m。

由于2102巷掘進煤層不穩定，煤層結構復雜，煤層頂板穩定性差，易破碎，巷道掘進過程中共揭露12條斷層，受斷層應力影響，巷道掘進時圍巖穩定性相對較差，主要表現在頂板下沉、離層現象嚴重。2102巷在前期500 m掘進期間，共揭露4條斷層，巷道頂板破碎現象比較嚴重，頂板最大下沉量達0.45 m，巷幫移近量達0.56 m，不僅影響工程施工質量，而且不利于施工安全。

2 梯形錨棚支護工藝

2.1 支護原理

梯形錨棚支護主要利用梯形鋼棚對巷道不穩定頂板進行支撐，減小兩幫煤柱支撐應力以及提高頂板中部承載能力，同時采用預應力恒阻錨索將棚梁與頂板預緊，實現主動與被動支護相結合的方式對頂板進行聯合支護。

2.2 梯形錨棚結構、規格

（1）2102巷采用的梯形錨棚主要由聯鎖底座、梯形棚腿、頂梁、卡纜、恒阻錨索以及承載梁等部分組成，見圖1。

圖1 2102巷梯形錨棚支護斷面

（2）聯鎖底座由鋼板焊制而成，規格為長×寬×厚=1.8 m×0.3 m×0.01 m，在底座兩端0.1 m處焊制兩個直徑為20 mm圓孔，孔間距為0.2 m，主要用于相鄰兩塊底座搭接固定；在距底座兩端0.15 m處，焊制4個直徑為25 mm圓孔，主要用于棚腿搭接固定，見圖1。

（3）梯形棚腿長度為3.6 m，在棚腿兩端各焊制一個規格為長×寬×厚=0.3 m×0.3 m×0.01 m鋼板，在鋼板上焊制4個圓孔與底座4個圓孔規格相同。

（4）頂梁長度為4.8 m，在距頂梁端頭1.0 m處各焊制一塊規格為長×寬×厚=0.3 m×0.3 m×0.01 m鋼板，鋼板上焊制4個圓孔且與棚腿兩端鋼板圓孔規格相同；同時在頂梁均勻焊制3個圓孔，孔徑為30 mm，孔間距為2.0 m。

（5）恒阻錨索長度為8.0 m，直徑為21.6 mm，承載梁長度為1.5 m，寬度為0.2 m，共計3根。

2.3 施工工藝

（1）梯形錨棚安裝前首先在兩幫底板處進行起底、澆筑施工，起底深度為0.2 m，寬度為0.3 m，長度為1.8 m，起底后采用混凝土澆筑，澆筑面與設計底板面平整。

（2）起底澆筑后將底座安裝在澆筑面上，底座安裝后將梯形棚腿與底座對接安裝，并采用4根長度為1.0 m地錨進行固定。2根棚腿安裝后，將頂梁與棚腿采用4根螺母進行連接。

（3）1組梯形棚共計2架，間距為1.5 m，同一組梯形棚安裝后在2根頂梁與頂板之間安裝3根承載梁，梁間距為1.5 m。

（4）承載梁安裝后采用MT-30錨索機在2根頂梁頂板處施工3個錨索鉆孔，孔間距為2.0 m，直徑為30 mm，并安裝3根恒阻錨索將頂梁與頂板進行固定預緊，預緊力不得低于170 kN。

3 梯形錨棚支護優點及實際應用效果分析

3.1 梯形錨棚支護優點

（1）降低了支護成本費用：與傳統“注漿+架設鋼棚”聯合加強支護相比，梯形錨棚支護施工工藝相對簡單，縮短了支護施工，降低了勞動強度，而且梯形錨索棚成本費用較低，實用性強。

（2）縮短了支護周期：與傳統單錨桿（索）、鋼棚支護工藝相比，梯形錨棚支護時鋼棚與錨索支護可協同作業，縮短了頂板支護時間，降低了應力區巷道圍巖塑性變形量，對不穩定頂板起到及時有效支護作用。

（3）支護效果好：梯形錨棚支護可用于不同地質條件下的應力區掘進工作面，在支護過程中可通過調節梯形棚腿角度，保證梯形棚支撐作用力，從而滿足不同應力的圍巖支護要求，適用性強，支護強度高。

3.2 實際應用效果分析

2102巷掘進至500 m處時開始架設梯形錨索棚，在巷道應力破壞區域內每隔2.0 m架設1組，截止2018年9月17日，2102巷掘進完成共計架設21組梯形錨索棚，通過對梯形錨索棚應用效果觀察發現，當錨索棚架設完5 d內受圍巖塑性變形影響頂板下沉量相對較大，與前期巷道變形量相比，最大下沉量由原來的0.45 m，減小為0.17 m，在5 d后錨索棚支撐作用力逐漸升高，頂板下沉量降低，當架棚后10～12 d內錨索棚支撐作用力與頂板應力趨于平衡，頂板下沉量趨于0，控制了頂板進行一步下沉現象。

4 結語

1）梯形錨棚采用梯形棚腿支撐方式，對頂板支撐作用強度大，承載能力強，可適用于沖擊應力大區域，通過調整棚腿支撐角實現對頂板不同應力大小進行支撐，避免了鋼棚變形現象，降低了鋼棚維修費用；同時在相鄰兩架梯形棚之間安裝承載梁，有效防止了傳統鋼棚支護對頂板產生的切頂破壞作用。

2）梯形錨棚支護實現了對不穩定頂板主動與被動支護相結合的支護方式，解決了傳統被動支護時變形嚴重、支護不及時等技術難題，同時有效防止了傳統單一錨桿支護時，因頂板破碎錨固失效現象嚴重，支護效果差，導致頂板垮落等事故，提高了不穩定頂板支護效果。

3）梯形錨棚支護具有一定的讓壓性能，保證了支護體變形和圍巖變形相適應，充分發揮支護體的支護作用和巷道圍巖的自承載能力，實現了支護體與圍巖耦合作用。