巷道破碎頂板支護(hù)問題分析及優(yōu)化改進(jìn)

郭劍如

（山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

長平煤礦43221巷設(shè)計(jì)長度為1 400 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.0 m×3.6 m，掘進(jìn)煤層為3號(hào)層，施工巷道沿3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，煤層直接頂主要以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主，平均厚度為4.7 m，基本頂主要以砂巖為主，平均厚度為11.4 m，截至目前巷道已掘進(jìn)510 m。

43221巷掘進(jìn)至502 m時(shí)，位于巷道北側(cè)45 m處存在一條X7陷落柱，陷落柱成橢圓狀，長軸長為54 m，短軸長為23 m，長軸與43221巷成31°夾角，陷落柱與巷道最短距離為15.4 m。當(dāng)巷道掘進(jìn)至507 m時(shí)受陷落柱構(gòu)造應(yīng)力影響，巷道頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，且隨著巷道不斷延伸，巷道與陷落柱距離縮小，巷道受應(yīng)力影響逐漸加大，當(dāng)巷道掘進(jìn)至510 m處時(shí)頂板出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)離層，導(dǎo)致巷道原支護(hù)失效率高，原支護(hù)已不能滿足巷道地安全高效掘進(jìn)。對(duì)此，長平煤礦生產(chǎn)管理部通過技術(shù)研究，分析了原頂板支護(hù)主要存在的問題，并對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化。

1 原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)及問題分析

1.1 43221巷原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)

43221巷原頂板支護(hù)主要是采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)。

1）頂板支護(hù)的錨桿采用規(guī)格是直徑、長度分別為22 mm、2.4 m的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，頂板每排5根，相鄰兩根錨桿的距離為1.1 m，相鄰兩排錨桿的距離為1.0 m。

2）支護(hù)使用的鋼帶為“W”型鋼帶，鋼帶長、寬分別為4.8 m、0.25 m，將五根錨桿安裝在一根鋼帶上并進(jìn)行錨固，相鄰兩根鋼帶的距離為1.0 m。

3）預(yù)應(yīng)力鋼絞線的規(guī)格為直徑、長度分別為17.8mm、5.0 m，每排布置3根，相鄰兩根錨索的距離為2.0 m，相鄰兩排錨索的距離為3.0 m，并采用邊長為0.3 m的鋼方墊及鎖具對(duì)錨索的外露端進(jìn)行緊固。

1.2 原支護(hù)主要存在問題

1）隨著巷道地不斷掘進(jìn)延伸，與X7陷落柱距離逐漸縮小，導(dǎo)致巷道所受構(gòu)造應(yīng)力逐漸加大，并在巷道頂板形成應(yīng)力集中區(qū)。通過對(duì)應(yīng)力區(qū)頂板破碎及片幫情況分析，陷落柱殘余應(yīng)力主要集中在頂板中部位置，導(dǎo)致頂板中部出現(xiàn)比較明顯的下沉及破碎現(xiàn)象，而且破碎區(qū)域向煤層深處不斷延伸，破碎范圍已經(jīng)擴(kuò)大到頂板往上2.6 m的位置，而之前支護(hù)材料使用的錨桿長度僅為2.4 m，錨桿的錨固段位于破碎區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致錨桿失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

2）掘進(jìn)工作面在推進(jìn)時(shí)，受陷落柱構(gòu)造應(yīng)力作用，巷道應(yīng)力區(qū)內(nèi)圍巖的膠結(jié)性下降，頂板會(huì)出現(xiàn)破碎及下沉的情況。若僅僅采用鋼帶已經(jīng)無法對(duì)破碎頂板進(jìn)行有效地支護(hù)，且隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板壓力會(huì)越來越大，鋼帶的變形也會(huì)更加嚴(yán)重。

3）巷道應(yīng)力區(qū)段內(nèi)，原支護(hù)的錨索錨固端位于直接頂與基本頂間，由于直接頂與基本頂已經(jīng)離層，錨索也已經(jīng)失去了錨固效果，且由于原設(shè)計(jì)的錨索直徑較小，屈服強(qiáng)度較低，這樣會(huì)導(dǎo)致錨索因拉力過大而發(fā)生斷裂。

2 43221巷頂板支護(hù)優(yōu)化改進(jìn)

2.1 原頂板永久支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）為了確保優(yōu)化后的支護(hù)能夠?qū)ο锏榔扑轫敯迤鸬接谰弥ёo(hù)，將原頂板錨索更換為直徑、長度分別為21.6 mm、8.3 m的恒組錨索，并要求作業(yè)人員通過縮減錨固距離來提高錨固質(zhì)量，將相鄰兩排錨索的距離由原來的3.0 m縮減為2.0 m。

2）將原錨桿更換為規(guī)格是直徑、長度分別為22 mm、3.2 m的加長螺紋鋼錨桿，并為每根錨桿配套三支快速錨固劑，錨桿間排距不變。

2.2 桁架錨桿支護(hù)

1）43221巷頂板應(yīng)力集中區(qū)的頂板桁架錨桿主要由以下部件組成：傾角錨桿（2根）、拉桿（2根）、拉緊器（1個(gè)）及鋼墊片。

2）當(dāng)工作面推進(jìn)至應(yīng)力集中區(qū)，且巷道破碎區(qū)域的永久支護(hù)安裝完畢后，在相鄰兩排鋼帶中間位置且距巷幫1.0 m處各鉆一個(gè)與巷道頂板呈60°角的錨桿鉆孔，并在鉆孔內(nèi)注入一根長3.0 m的桁架錨桿。

3）錨桿安裝完畢要及時(shí)進(jìn)行錨固，并對(duì)錨固后的錨桿做拉拔試驗(yàn)，確保錨固質(zhì)量能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，之后在錨固端安裝一根拉桿，并用拉緊器將兩根傾角錨桿連接預(yù)緊。

4）桁架錨桿預(yù)緊后產(chǎn)生的合力能夠有效抵消破碎頂板的垂直應(yīng)力，從而達(dá)到削弱集中應(yīng)力對(duì)頂板的破壞作用，桁架錨桿支護(hù)原理如圖1所示。

圖1 桁架錨桿支護(hù)原理示意圖

2.3 π型鋼棚支護(hù)

為了確保破碎頂板的支護(hù)強(qiáng)度，施工人員應(yīng)在永久支護(hù)的基礎(chǔ)上架設(shè)π型鋼棚來提高支護(hù)穩(wěn)定性。

1）由于矩形鋼棚頂梁承載能力差，不能對(duì)頂板進(jìn)行有效支護(hù)，因此技術(shù)人員決定改用π型鋼棚。π型鋼棚主要由以下部件組成：棚腿（4節(jié)）、π型頂梁（1節(jié)）、卡纜。棚腿下端還需配套一塊長寬分別為0.3 m的底座。

2）為了能夠確保棚腿的穩(wěn)定性，需對(duì)鋼棚底板處進(jìn)行起底澆筑施工，起底深度為0.2 m，底座安裝在起底處并進(jìn)行澆筑，澆筑后保證底座平整。

3）完成以上工序后，將π型頂梁安放在棚腿上，并用卡纜將棚腿與頂梁緊固，頂梁與頂板需留有一定的間隙，相鄰兩架鋼棚的距離為2.0 m。

4）連續(xù)安裝完三架鋼棚后，在鋼棚的頂部繼續(xù)安裝橫梁，橫梁的安裝角度需與π型頂梁保持垂直，每五根橫梁為一組安裝在鋼棚上方，相鄰橫梁的距離為1.0 m。

5）完成橫梁的安裝后，需在橫梁與底板的間隙中填加長為4.8 m、寬為0.5 m的水泥背板，水泥背板與π型頂梁平行放置，通過調(diào)節(jié)π型頂梁來確保頂板與背板接觸嚴(yán)密，最后在相鄰兩架鋼棚之間通過兩組拉桿連接，以增加鋼棚之間相互的穩(wěn)定性。π型鋼棚支護(hù)示意圖如圖2所示。

圖2 43211巷應(yīng)力區(qū)頂板“π”型鋼棚支護(hù)斷面示意圖（未標(biāo)單位：mm）

3 結(jié)語

截至2019年6月24日43221巷已完全過X7陷落柱應(yīng)力影響區(qū)。對(duì)應(yīng)力區(qū)巷道頂板采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，通過30 d的現(xiàn)場(chǎng)觀察以及安裝頂板離層儀數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)：在0~15 d范圍內(nèi)由于支護(hù)與頂板未達(dá)到完全耦合作用，頂板塑性變形相對(duì)嚴(yán)重，頂板下沉量為0.14 m；在15~25 d范圍內(nèi)頂板耦合支護(hù)作用很好地控制了頂板下沉、變形現(xiàn)象，頂板下沉量逐漸減小；在25 d以后頂板區(qū)域穩(wěn)定。因此，采用“桁架錨索支護(hù)+π型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)使得陷落柱應(yīng)力區(qū)頂板的穩(wěn)定性大大提高，應(yīng)用效果明顯。