2305 巷掘進(jìn)工作面頂板破碎區(qū)支護(hù)優(yōu)化

白 強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

1 概況

大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司2305 巷位于三盤區(qū)4#煤層北部，巷道東西走向布置，巷道東部為掘進(jìn)區(qū)域，南部為5304 巷，西部為盤區(qū)大巷，北部為5305 巷。2305 巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度1500 m，斷面為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進(jìn)煤層為山西組4#煤層，煤層平均厚度為3.5 m。煤層直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為2.5 m，基本頂主要以細(xì)砂巖為主，平均厚度為8.9 m。

2305 巷頂板及兩幫采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿長(zhǎng)2.5 m，直徑為22 mm，每排布置5 根，錨桿間排距為1.0 m；頂板錨索長(zhǎng)5.3 m，直徑為17.8 mm，每排布置3 根，錨索間距為1.8 m，排距為3.0 m；巷幫錨桿長(zhǎng)度為2.0 m，直徑為20 mm，錨桿每排3 根，間排距為1.0 m。巷道掘進(jìn)至657 m 處揭露第一條斷層F1，斷層落差為1.1 m，平均傾角為54°；巷道掘進(jìn)至669 m 處揭露第二條斷層F2，斷層落差為0.9 m，平均傾角為47°；在670～740 m 段還存在7 條斷層，全部為正斷層，斷層平均落差為1.3 m，平均傾角為50°。

2 巷道掘進(jìn)支護(hù)現(xiàn)狀及問題分析

2.1 巷道掘進(jìn)支護(hù)現(xiàn)狀

（1）2305 巷在過(guò)F1 斷層時(shí)，頂板相對(duì)破碎，局部區(qū)域出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象，冒漏高度0.5 m，巷道頂板與巷幫之間的肩角煤柱局部垮落，巷幫網(wǎng)出現(xiàn)“網(wǎng)兜”現(xiàn)象。

（2）當(dāng)巷道過(guò)F2 斷層時(shí)，受構(gòu)造應(yīng)力影響，原頂板支護(hù)不能滿足圍巖控制需求，頂板出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象。頂板錨桿錨固后由于頂板破碎冒落，導(dǎo)致錨桿外露長(zhǎng)度達(dá)0.2 m，錨桿支護(hù)作用降低。同時(shí)，肩角煤柱大面積垮落，兩幫片幫嚴(yán)重，巷道成“尖錐形”，兩幫收縮嚴(yán)重，收縮量達(dá)0.62 m，頂板往上2.0～3.5 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)兩段離層現(xiàn)象，最大離層量達(dá)0.32 m。

2.2 原因分析

（1）應(yīng)力破壞作用。2305 巷在657～740 m 段共計(jì)揭露9 條斷層，在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生斷層群應(yīng)力疊加現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)期間會(huì)受到多次應(yīng)力波動(dòng)影響，在應(yīng)力作用下破壞了原巷道頂板承載結(jié)構(gòu)，頂板承載梁斷裂且次生裂隙發(fā)育，降低了頂板原生穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致頂板破碎現(xiàn)象。

（2）圍巖穩(wěn)定性差。2305 巷直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，其中中部夾雜兩層混合巖層，第一層位于頂板往上1.2 m 處，厚度為0.4 m，主要以細(xì)砂巖與泥巖混合為主；第二層位于頂板往上1.9 m 處，為4#煤層，厚度為0.3 m。直接頂整體成層狀結(jié)構(gòu)，巖體巖石普氏系數(shù)f=2.5，抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，在采動(dòng)、構(gòu)造應(yīng)力等作用下易產(chǎn)生裂隙帶，穩(wěn)定性差。

（3）支護(hù)強(qiáng)度低。原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中護(hù)頂采用10#鉛絲編制的菱形金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)承載強(qiáng)度不足120 MPa，當(dāng)頂板出現(xiàn)下沉、冒落時(shí)金屬網(wǎng)承載能力低，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。同時(shí)，頂板采用長(zhǎng)2.5 m左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿錨固段位于直接頂與基本頂之間，在應(yīng)力作用下，當(dāng)直接頂出現(xiàn)破碎、離層時(shí)錨桿錨固效果差，無(wú)法起到加固梁作用。

3 頂板聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

為了保證2305 巷后期過(guò)斷層群應(yīng)力區(qū)施工安全，決定對(duì)原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，將原頂板金屬網(wǎng)更換為鋼筋網(wǎng)，原頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)不變，將頂板原單錨索更換為聯(lián)鎖錨索梁棚，并在應(yīng)力區(qū)架設(shè)液壓伸縮鋼棚。2305 巷破碎頂板聯(lián)合支護(hù)示意圖如圖1。

3.1 鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)

（1）2305 巷斷層群應(yīng)力區(qū)圍巖采用的鋼筋網(wǎng)由直徑為6 mm 鋼筋編制，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格為50 mm×50 mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為長(zhǎng)×寬=2.4 m×1.2 m。

（2）巷道頂板每排鋪設(shè)兩片鋼筋網(wǎng)，同一排兩片鋼筋網(wǎng)搭接寬度為0.3 m，并網(wǎng)搭接中部施工一根錨桿，網(wǎng)與網(wǎng)之間采用14#鉛絲環(huán)環(huán)連接。

3.2 施工聯(lián)鎖錨索梁棚

（1）頂板錨桿支護(hù)施工完后，在相鄰兩排錨桿之間施工一排錨索梁棚，梁棚施工排距為2.0 m。錨索梁棚主要由三根長(zhǎng)度為7.0 m、直徑為21.8 mm恒阻錨索、一根橫梁及三根聯(lián)鎖拉桿組成。

（2）橫梁長(zhǎng)度為4.2 m，寬度為0.5 m，每根橫梁由5 根圓鋼焊接而成，圓鋼直徑為20 mm，在橫梁兩端以及中部各焊制一個(gè)長(zhǎng)度及寬度為0.3 m鋼板，鋼板中部焊制一個(gè)直徑為30 mm 圓孔。聯(lián)鎖拉桿主要為一根長(zhǎng)度為2.0 m、寬度為0.2 m、厚度為0.02 m 方鋼。

（3）首先在巷道中部施工一排恒阻錨索，錨索間距為1.8 m，中部錨索垂直頂板布置，兩側(cè)錨索與巷幫夾角為60°，錨索外露長(zhǎng)度為0.3 m，錨索施工后在其下方依次安裝橫梁、拉桿并采用鎖具固定。相鄰兩架錨索棚采用三根欄桿聯(lián)鎖固定。

3.3 架設(shè)液壓伸縮鋼棚

為了解決傳統(tǒng)鋼棚支護(hù)后對(duì)頂板產(chǎn)生切頂破壞及易變形等問題，決定在2305 巷斷層群應(yīng)力區(qū)架設(shè)液壓伸縮梁棚。

（1）液壓伸縮鋼棚主要由液壓伸縮腿、雙頂梁、抱箍、液壓泵站、壓力監(jiān)測(cè)報(bào)警器等部分組成。液壓伸縮腿張緊行程為1.5～4.0 m，液壓泵站功率為10 kW，雙頂梁主要由兩根長(zhǎng)度為4.2 m 的11#工字鋼梁以及一塊鋼板焊制而成，頂梁寬度為0.3 m。

（2）壓力監(jiān)測(cè)報(bào)警器安裝在液壓伸縮腿上，該裝置主要由報(bào)警器、顯示器、信號(hào)線、壓力彈簧、接收器等部分組成。壓力彈簧安裝在伸縮腿內(nèi)部，通過(guò)伸縮腿下降后壓縮彈簧從而監(jiān)測(cè)頂板下沉量，并實(shí)時(shí)報(bào)警。

（3）在安裝液壓伸縮棚時(shí)，保證同一架鋼棚兩根棚腿在同一水平線上，棚腿與頂梁之間采用卡纜進(jìn)行固定。鋼棚架設(shè)完成后通過(guò)控制液壓泵站操作閥使棚腿升起，當(dāng)鋼棚頂梁與頂板接觸嚴(yán)實(shí)并確保支撐力達(dá)15 MPa 時(shí)停止加壓。

（4）液壓伸縮棚安裝間距為2.0 m，伸縮棚安裝后每班安排專人觀察頂板離層情況以及鋼棚變形情況，發(fā)現(xiàn)鋼棚卸壓、報(bào)警時(shí)必須及時(shí)補(bǔ)液。

圖1 2305 巷破碎頂板聯(lián)合支護(hù)示意圖

4 應(yīng)用效果

2305 巷掘進(jìn)到位后，通過(guò)3 個(gè)月實(shí)際應(yīng)用效果觀察，發(fā)現(xiàn)：

（1）巷道支護(hù)優(yōu)化后，頂板采用的鋼筋網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度是普通金屬網(wǎng)的1.5 倍，巷道在后期過(guò)斷層群期間頂板未出現(xiàn)“網(wǎng)兜”、斷網(wǎng)等現(xiàn)象。

（2）通過(guò)對(duì)頂板施工聯(lián)鎖錨索梁棚代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單錨索支護(hù)，解決了傳統(tǒng)單錨索點(diǎn)性支護(hù)面積小、支護(hù)聯(lián)鎖性能差等技術(shù)難題，采用聯(lián)鎖錨索梁棚有效提高了直接頂穩(wěn)定性，保證了錨桿支護(hù)效果，防止了頂板斷裂、破碎現(xiàn)象，頂板肩角煤柱垮落現(xiàn)象得到有效控制。

（3）通過(guò)對(duì)巷道應(yīng)力區(qū)架設(shè)液壓伸縮鋼棚，不僅實(shí)現(xiàn)了巷道頂板下沉、離層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了鋼棚對(duì)巷道支護(hù)斷面積及支護(hù)強(qiáng)度，而且解決了傳統(tǒng)矩形鋼棚支護(hù)強(qiáng)度低、易變形、鋼棚回收利用率低等技術(shù)難題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，架設(shè)液壓伸縮鋼棚后頂板離層、下沉量降至0.12 m 以下，避免了頂板垂直應(yīng)力向兩幫煤柱傳遞作用，兩幫移進(jìn)量減小為0.17 m 以下。