巷道過應力破碎區超前支護裝置應用分析

梁佳宇

（大同煤礦集團同安煤業有限責任公司， 山西 呂梁 033500）

1 巷道概況

大同煤礦集團同安煤業有限責任公司總回風巷北接回風立井馬頭門總回巷開口（坐標為：x=4229127.5，y=564 418.829，z=742.7），該巷南部42.72 m為4號層回風大巷（未掘），西部、東部為實體區。

總回風巷設計長度為1 200 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進煤層為山西組4號煤層，煤層厚度5.71～8.08 m，平均厚7.56 m，煤層由南向北逐漸變厚，全井田穩定可采，煤層結構簡單—極復雜，含0～8層夾矸，單層夾矸最大厚度為0.52 m。煤層頂板巖性為砂質泥巖、粉砂巖、泥巖，老頂為細砂巖；底板巖性為細砂巖、砂質泥巖、泥巖。總回風采用綜合機械化掘進施工工藝，采用EBZ210型掘進機割煤，采用SSJ-800型帶式輸送機運輸煤矸石，截止目前巷道已掘進450 m[1]。

巷道掘進至440 m處揭露一條正斷層，斷層落差為1.5 m，斷層平均傾角為47°，在斷層作用下破壞了原巷道頂板連續穩定性，導致巷道頂板出現應力破壞現象，巷道頂板維護難度大，掘進效率低。

2 巷道過應力破碎區主要存在的技術難題

總回風巷采用掘進機掘進，單茬掘進量為0.6 m，工作面最大空頂距為1.3 m，巷道掘進后及時對頂板施工錨桿、錨索支護。但是由于在應力區巷道，頂板破碎嚴重，在頂板永久支護施工時存在一些技術難題，主要表現在以下幾方面：

1）頂板穩定性差。受斷層影響，在斷層前后15 m范圍內頂板相對破碎嚴重，并在斷層處形成卸壓空間，隨著巷道的開拓延伸，頂板破碎范圍逐漸擴大，巷道掘進后在施工永久支護時不僅施工難度大，而且施工危險系數高，不利于對巷道進行安全快速支護。

2）空頂面積大。巷道在過斷層應力區時，頂板集中應力明顯，導致頂板出現下沉現象，同時集中應力向迎頭煤壁傳遞，而總回風巷掘進的4號煤層屬石炭系煤層，煤層膠結穩定性差，煤體單軸抗壓強度不足20 MPa，迎頭煤體在應力作用下出現片幫現象，增加頂板空頂距，巷道在初期過應力區頂板最大空頂距為2.4 m。

3）支護時間長。由于應力區頂板破碎相對嚴重，在破碎頂板進行鉆孔施工時鉆孔施工難度大，鉆孔施工周期長，導致錨桿支護難度大，頂板空頂時間長，造成頂板進行永久支護時危險系數高。

3 絲杠式超前支護的應用

為了解決應力區巷道頂板破碎區支護難題，同安煤礦安監站通過技術研究，決定對應力區破碎頂板采用一套絲杠式超前支護。

3.1 絲杠式超前支護結構組成

1）總回風應力區頂板采用的絲杠式永久支護主要由前探支護梁、承載梁、絲杠、固定環等部分組成；其中前探支護梁共計四根，每根長度為4.0 m，承載梁共計三根，長度為4.5 m。

2）前探支護梁及承載梁主要為12號槽鋼，在承載梁上均勻焊制4個直徑為70 mm絲孔，絲孔間距為1.2 m，每個絲杠長度為為0.2 m，絲杠直徑為70 mm，在絲杠頂端焊接一個長度及寬度為0.1 m頂帽，如下頁圖1所示。

3）吊環共計9個，主要由厚度為5 mm鋼板焊制而成，吊環寬度為0.12 m，高度為0.15 m，吊環中部焊接一個直徑為30 mm絲孔，在吊環下部安裝一個活動鋼管，鋼管直徑為50 mm[2-3]。

圖1 絲杠式超前支護結構示意圖（mm）

3.2 絲杠式超前支護工作原理

1）巷道掘進前首先將9個吊環安裝距工作面迎頭前三排錨桿外露段，同一排錨桿安裝三個吊環，吊環安裝間距為2.0 m，吊環安裝時將吊環絲孔與頂板錨桿外露段擰緊。

2）三排吊環安裝后巷道開始掘進，掘進后及時將三根承載梁穿插在同一排吊環下方，然后對每一根承載梁上安裝四個絲杠，安裝絲杠保證絲杠與承載梁運轉靈活[4-5]。

3）絲杠安裝后將四根前探支護梁依次安裝絲杠上方，然后逐漸擰動絲杠上升，并抬起前探梁直至與頂板接觸嚴實，從而達到前探梁對空頂區超前支護作用；當巷道第一茬掘進并支護完成后，在掘進第二茬時只需將前探梁前移即可。

3.3 絲杠式超前支護優缺點

1）支護工藝簡單。絲杠式超前支護結構相對簡單，受巷道掘進工藝、施工工序影響小，支護工藝簡單，便于操作維護，故障率低，成本費用低。

2）支護效果好。與機載前探梁超前支護相比，該支護裝置輕便，而且該支護裝置可用于最大空頂距大3.0 m巷道中，支護效果好，支護強度高，解決了不穩定、破碎頂板空頂面積大，永久支護時危險系數高等技術難題。

3）實用性強。該支護裝置可根據巷道斷面大小適當調整前探梁、承載梁數量及長度，該支護裝置不僅可用于掘進巷道，還可應用于復雜地質條件采掘工作面、大斷面硐室中，甚至可應用于隧道、橋梁等工程領域中，實用性強。

4 應用效果

截止2019年4月27日總回風巷已掘進至490m處，巷道已完全過斷層應力區，通過在斷層應力區采取絲杠式超前支護后，保證了巷道永久支護施工安全，巷道在后期過應力區期間未發生一起因頂板空頂面積大，超前支護不到位發生頂板垮落事故，取得了顯著應用成效。