密集工字鋼棚在巷道頂板破碎帶中應用

王罡華

(山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048000)

1 工程概述

長平煤礦53051巷設計長度為1 400 m，巷道設計斷面規格為4.5 m×4.0 m(寬×高),巷道為矩形斷面，巷道沿3#煤層頂板掘進，巷道無危頂，直接頂主要以砂質泥巖為主，平均厚度為2.4 m,基本頂主要以粗砂巖為主，平均厚度為9.8 m，53051巷采用EBZ200型掘進機機械化掘進，截止目前巷道已掘進920 m[1]。

53051巷掘進至910 m處巷道圍巖破碎嚴重，主要表現在兩幫片幫以及收縮嚴重、頂板下沉等，通過鉆探及地質資料發現，巷道掘進至925 m處揭露一條F2斷層，斷層落差為1.7 m，平均傾角為52°，受斷層影響巷道在揭露斷層期間構造應力在巷道開挖空間產生釋壓現象，導致圍巖破壞嚴重，為了保證巷道安全快速過F2斷層影響區，必須對斷層帶附近巖體進行加強支護，削弱構造應力對頂板垂直破壞作用，對此，長平煤礦綜掘三隊通過研究決定，對斷層影響區頂板架設密集矩形工字鋼棚[2-3]。

2 原支護設計及存在難題

2.1 傳統支護方式

1)53051巷傳統的支護方式采用螺紋鋼錨桿對頂板進行支護。錨桿的直徑與長度分別為22 mm、2.5 m，頂板每排施工5個鉆孔，并在每個鉆孔內依次放入2支樹脂藥，相鄰錨桿的距離為1.0 m，相鄰2排錨桿的距離為1.0 m，所有錨索的安裝方向要與巷道頂板垂直[4-5]。

2)巷道使用的鋼帶型號為“JW”型，鋼帶尺寸為4.2 m×0.25 m×4 mm(長×寬×高)，并將5根錨桿分別傳入鋼帶孔內，相鄰鋼帶的距離為1.0 m。

3)頂板錨索采用長度與直徑分別為4.5 m、17.8 mm的預應力鋼絞線，相鄰錨索之間的距離為1.6 m，每間隔3排鋼帶安裝1組錨索，并采用長度為為0.3 m的方托板與錨索緊固。

4)使用鉛絲編制一塊長為4 m、寬為2 m的金屬網，網格為菱形四邊形，邊長為50 mm；相鄰2塊金屬網交叉重疊的位置不小于0.2 m,并使用鉛絲將重疊位置進行連接。

5)錨固完畢后要對錨桿部分進行檢查，確保錨桿的外露部分在10 mm至30 mm之間，錨索外露部分在150 mm至250 mm之間，同時還需對預緊力進行檢查，確保錨索的預緊力大于15 t.

2.2 存在難題

1)53051巷掘進至910 m處時通過對頂板施工窺視鉆孔發現，在頂板網上5.0 m范圍內出現局部離層現象，原頂板錨索錨固段位于離層區內，錨索無法對離層頂板起到有效的懸吊作用。

2)通過對應力區破碎頂板觀察發現，在破碎區10 m～15 m范圍內煤壁片幫相對嚴重，導致頂板與巷幫的三角煤柱不能預留，原支護無法對三角煤柱進行有效支護，從而加大了巷幫及三角煤柱破碎力度。

3)頂板的主動支護主要是錨桿、錨索支護，由于頂板片幫面積較大，采用錨網等支護方式已經不能有效控制頂板，需根據斷層機理采取被動與主動結合的支護方式，如第184頁圖1所示。

圖1 F2斷層破碎帶剖面示意圖

3 密集矩形鋼棚支護

為了提高斷層區頂板穩定性，防止頂板出現冒落現象，決定對斷層應力區施工密集矩形工字鋼棚并對原頂板支護進行合理優化。

1)為了有效地對破碎頂板進行支護，快速地通過斷層區域，對原支護錨索規格進行優化，優化后頂板錨索長度為8.3 m，直徑為21.6 mm，錨索間排距不變，錨索外露端安裝一根長度為0.6 m工字鋼梁。

2)為了提高三角煤柱整體穩定性，在應力區破碎區將原頂板鋼帶更換為“]”型鋼帶，鋼帶長度為6.0 m，鋼帶收尾采用長度為2.0 m錨桿固定在兩幫肩角處，中部采用4根長度為3.5 m加長錨桿固定巷道頂板處。

3)完成以上工序后，施工人員還需在鋼帶下方每隔1.0 m安裝一架工字鋼棚，工字鋼棚是由底座、棚腿、水泥背板、頂梁、連接桿、卡蘭等配件組成。

4)根據破碎頂板的距離計算，通過斷層共需安裝20架鋼棚，鋼棚的規格為4.5 m×4.0 m(寬×高)，并用卡蘭將頂梁與棚腿進行固定。

5)為了能夠確保棚腿的穩定性，需對底板進行起底施工，并將棚腿底座安裝起底處且采用混凝土澆筑，棚腿與巷幫之間采用錨桿進行固定，從而加強鋼棚整體穩定性。

6)相鄰兩架鋼棚安裝完成后采用4根頂梁將兩架相鄰的鋼棚進行連接，使用連接桿對相鄰鋼棚的棚腿進行連接，并使用卡蘭將棚梁與頂梁進行固定，如圖2所示。

圖2 53051巷斷層應力區架設工字鋼棚斷面、平面示意圖

7)鋼棚安裝完畢后要對鋼棚與頂板的接頂情況進行觀察，在鋼棚與頂板間隙的位置填加水泥背板，并用高壓泵注射填充劑，對水泥背板間隙進行填充。

4 結語

長平煤礦綜掘三隊通過對53051巷過F2斷層影響區時，采取密集工字鋼棚加強支護以及合理優化原頂板永久支護設計后，巷道在過斷層期間頂板未出現大面積破碎現象，提高了斷層應力區頂板整體穩定性，防止了構造應力在頂板裂隙區產生擴張破壞作用，大大削弱了構造應力對頂板垂直破壞作用，巷道在斷層區平均掘進速度達6.5 m/d，取得了顯著應用成效。