掘進巷道頂板支護的優化及應用

張 敏

（山西高平科興龍頂山煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 9101回風順槽概述

山西高平科興龍頂山煤業有限公司9101回風順槽沿頂板掘進，巷道設計長度為2 317 m，巷道凈斷面為4.8 m（凈寬）×2.6 m（凈高）的矩形斷面。巷道采用錨網支護作為永久支護，巷道頂板采用高強度螺紋鋼錨桿、錨索及6號冷拔絲金屬網聯合支護；煤柱側幫采用高強度圓鋼錨桿、6號冷拔絲金屬網聯合支護；開采側幫采用玻璃鋼錨桿、塑料拉伸網聯合支護。巷道掘進煤層為9號層，平均厚度為1.6 m，平均傾角為3°。

9101回風順槽采用綜合機械化掘進工藝，巷道主要采用錨桿、錨索、金屬網聯合支護，支護工藝如下：

1）頂板錨桿支護時，頂板錨桿采用長度為2.5 m、直徑為22 mm的25MnSi型螺紋鋼錨桿，每排布置6根錨桿，間距×排距=0.9 m×1.0 m，錨桿的屈服強度為400 MPa，極限強度為580 MPa，延展率為14%；

2）頂板錨索支護時，9101回風順槽頂板采用的錨索長度為6.3 m，錨索直徑為17.8 mm，錨索間距為2.4 m，排距為3.0 m，當頂板壓力較大或者頂板破碎時，兩根錨索之間用16～20號槽鋼連接成一個整體。

2 巷道掘進現狀及問題分析

2.1 巷道掘進現狀

根據《9101回風順槽地質報告》提供資料顯示，9101回風順槽掘進期間共計揭露19條斷層，斷層多以小斷層為主，平均落差為0.7 m，平均傾角為45°，其中巷道掘進至460~580 m段共計揭露9條斷層，并形成斷層群應力區。

截至目前，巷道已掘進500 m，巷道掘進至460 m處時進入斷層群應力區，巷道進入應力區前25m范圍內頂板出現局部破碎現象，隨著巷道不斷開拓延伸，巷道所受應力加大，導致巷道掘進至490 m時頂板破碎加劇，局部區域頂板出現斷裂現象，當巷道掘進至495 m處時，頂板出現局部冒落，且兩幫與頂板之間的肩角煤柱垮落嚴重，導致巷道成型差，巷道圍巖出現嚴重失穩現象。

2.2 巷道頂板破碎原因分析

1）構造應力影響。由于巷道掘進至460~580 m段進入斷層群應力區，斷層破壞了巷道煤巖體連續穩定的結構，斷層群對煤巖體產生切割破壞作用，導致斷層群區巷道圍巖破碎嚴重，整體巖體穩定性差。

2）巷道支護強度低。原頂板主要采用錨桿、錨索支護，錨桿與錨索對頂板起到懸吊拱支護作用，在支護過程中通過對錨桿（索）施加預應力，并通過支護體將預應力傳遞至圍巖內，對應力可起到消除或削弱作用；但是受構造應力影響，巷道頂板的破碎導致形成圍巖松動圈，錨桿（索）采用端頭錨固時錨固效果差，預應力無法集中傳遞至破碎圍巖內，因而起不到有效的控制作用。

3）支護設計不合理。原巷道支護時頂板及巷幫雖然采取了錨桿支護，但是在頂板與巷幫之間的三角煤柱區域未實現有效支護，導致巷道掘進時三角煤柱破碎嚴重，出現垮落現象。

3 巷道支護的優化及應用

為了提高斷層群應力區巷道圍巖穩定性，決定對原支護進行優化，提出了“L型鋼帶+矩形工字鋼棚”聯合支護設計。

3.1 L型鋼帶支護

1）為對三角煤柱進行維護，在巷道施工L型鋼帶，L型鋼帶長邊長度為1.5 m，短邊長度為1.0 m，鋼帶寬度為0.25 m，厚度為4 mm，橫截面成“JW”型，鋼帶抗剪強度為410 MPa；鋼帶長邊及短邊各焊制1個直徑為25 mm的圓孔。

2）將L型鋼帶施工在巷幫與頂板之間三角煤柱處，首先采用錨索鉆機在距巷幫0.8 m頂板處施工1個支護鉆孔，鉆孔深度為3.5 m；采用手持式鉆機在巷幫煤壁距頂板0.5 m處同樣施工1個支護鉆孔，鉆孔深度為2.0 m。

3）支護施工完成后，頂板采用1根直徑為17.8 mm，長度為3.5 m的錨索來固定L型鋼帶長邊，采用1根長度為2.0 m，直徑為20 mm的錨桿來固定鋼帶短邊，鋼帶安裝完成后，保證鋼帶兩邊與巷幫及頂板間接觸嚴實。

3.2 矩形鋼棚支護

為了提高應力區頂板整體穩定性，防止集中應力對巷幫煤柱產生破壞作用，決定在應力區架設矩形鋼棚。

1）9101回風順槽架設的矩形鋼棚主要由槽鋼頂梁、工字鋼棚腿、卡纜、連接桿、底座等部分組成；其中槽鋼頂梁長度為4.8 m，寬度為0.15 m，槽鋼頂梁兩端各安裝1個托板，托板上焊制2個直徑為22 mm的圓孔。

2）棚腿長度為2.6 m，棚腿兩端各焊制1個長度及寬度均為0.3 m的鋼板，鋼板上焊制2個支護孔，棚腿中部焊制一個連接桿安裝孔，棚腿安裝時將棚腿頂端鋼板與頂梁托板對接，并采用卡纜進行固定預緊。

3）棚腿底端與底座之間采用螺母連接，底座與底板之間采用2根地錨進行固定，矩形鋼棚安裝時需保證鋼棚頂梁與頂板接觸嚴實，若頂梁與頂板存在間隙，需采用水泥背板填充；矩形鋼棚架設間距為1.0 m，鋼棚架設完成后，在相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用兩組拉桿進行固定。

4 結語

龍頂山煤礦對9101回風順槽掘進過斷層群應力區時采取了L型鋼帶及矩形鋼棚聯合支護工藝。通過實際應用效果來看，采用L型鋼帶后彌補了傳統錨桿（索）支護的不足，提高了三角煤柱整體穩定性，控制了三角煤柱破碎、垮落現象；對巷道架設密集工字鋼棚后，降低了頂板垂直應力對頂板以及煤柱破壞作用，提高了頂板承載能力，大大提高了巷道成型率，保證了巷道安全快速掘進。