應力區巷道頂板聯合支護技術應用分析

張駿立

（山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048000）

長平煤礦六盤區第一回風巷北部為五盤區采煤工作面切眼（未掘），東部為安家風井及礦界，西部為長平礦界，南部為六盤區第二回風巷（西）（未掘）。其他相鄰巷道對本巷道掘進期間無影響。

巷道設計長度為4 098 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.8 m×3.5 m，巷道掘進煤層為3號煤層，開口位置位于六盤區膠輪車北巷西幫，六盤區第二回風巷往北35 m（六盤區第一回風巷中至六盤區第二回風巷中）處，沿3號煤頂板施工75 m后，穿層至3號煤層底部，以K7細粒砂巖作為巷道頂板掘進到位，即施工至盤區邊界的終點位置。

第一回風巷采用機械化掘進工藝，截至2019年8月17日巷道已掘進1 570 m。根據長平煤礦地測科提供資料顯示，巷道掘進至1 562 m處時巷道進入F5斷層應力區，應力區預計長度為31 m。巷道掘進至1 565 m處時頂板出現應力破碎現象，掘進至1 570 m處時頂板破碎嚴重，原頂板錨桿（索）支護效果差，無法對頂板進行有效支護作用。

1 第一回風巷原頂板支護問題分析

1.1 巷道前期支護方案

第一回風巷前期頂板主要采用錨索、錨桿、鋼帶聯合的支護方式。頂板采用長度與直徑分別為2.0 m和20 mm的左旋螺紋錨桿，每排施工5根錨桿，相鄰錨桿的距離為1.0 m，相鄰兩排錨桿的距離為1.1 m；鋼帶采用高強度鋼材制成，長度設計為4.8 m，通過5根錨桿將鋼帶錨固在頂板上；頂板錨索的長度與直徑分別為4.0 m和17.8 mm。

1.2 支護存在的問題

1）支護強度低。根據勘察結果顯示，第一回風巷的直接頂的厚度為3.6 m，且煤質松軟穩定性較差，在斷層煤壁集中應力的作用下，直接頂很容易發生破碎、垮落，且會向煤壁深處延伸。原方案采用的錨桿長度僅為2 m，直接頂的破碎巖體無法對錨桿錨固端起到牢固的懸吊作用，一旦頂板的壓力超出了原巖構造應力后，頂板將會發生大面積垮落。

2）錨索錨固效果差。第一回風巷最初設計的錨索長度為4 m，錨索的錨固端處于基本頂與直接頂間，當頂板破碎使得壓力增大后，錨固端會發生脫落，導致頂板離層，最終因錨索錨固效果差而造成頂板大面積垮落，發生漏頂事故。

3）頂板穩定性差。第一回風巷前期掘進期間受F5斷層的影響，再加上后期的支護效果差，導致頂板發生大面積垮落，而且破碎的區域在不斷增加，頂板的穩定性也在下降，巷道的頂板原巖結構被破壞，頂板巖體的承載能力也大大降低，施工人員采用的支護僅僅能起到點性支護作用，無法形成組合梁。

4）鋼帶承載能力低。第一回風巷初步設計中頂板采用的是“M”型鋼帶，鋼帶寬度與厚度分別為0.15 m、3.5 mm，這種規格的鋼帶無法承載較大的應力，且支護斷面較小，當巷道頂板破碎嚴重時，鋼帶會無法承載壓力發生斷裂。

2 應力區聯合支護技術應用

為了進一步提高應力區巷道頂板穩定性，保證第一回風巷安全快速過F5斷層應力區，決定在巷道頂板永久支護的前提下采用“超前撞楔支護+工字鋼棚”的聯合支護措施。

2.1 超前撞楔支護

巷道的工作人員在進行永久支護期間，如頂板原巖無法承載頂板壓力，很容易造成下面的工作人員被掩埋，因此技術人員為了確保工作人員的生命安全，設計采用以下方式來對頂板進行支護。

1）巷道掘進前，施工人員采用氣動鉆機在原頂板的位置鉆一排撞楔超前支護鉆孔；鉆孔的走向要與巷道一致，同時要與煤壁保持垂直狀態，誤差不得大于±2°。

2）施工人員要在每排鉆9個鉆孔，鉆孔的直徑、深度分別為0.03 m、3.5 m，相鄰鉆孔的距離為500 mm，當每排鉆孔施工完畢后，工作人員要及時對鉆孔內的煤屑進行清理。

3）待鉆孔完成后，施工人員要將錨固劑及超前支護體依次放入鉆孔內，超前支護體的材質為圓鋼，長度與直徑分別為4 m、25 mm，錨固后的支護體外露長度不得大于0.5 m，外露端還需安裝一根鋼帶將頂板與超前支護體進行固定。

4）待第一排鉆孔完成施工后，掘進機在掘進時要將截割頭高度降低半米，當掘進機掘進后，在超前支護的支護下采用錨桿、錨索進行永久支護。

5）待掘進機推進3 m后進行第二排超前支護的施工，前后兩排要呈交錯嵌入式，嵌入深度不得低于0.5 m，并采用鋼帶對嵌頭處進行固定。按照以上工序依次完成后期的支護工作，直至完全通過斷層區域，如圖1所示。

圖1 第一回風巷斷層應力區頂板聯合支護斷面示意圖（mm）

2.2 架設矩形工字鋼棚

1）為了避免掘進工作面發生離層、下沉現象，巷道掘進后在滯后巷道的迎頭5.0 m處開始架設密集矩形工字鋼棚。工字鋼棚主要是由以下部件組成：頂梁、頂護板、連接桿、底座、棚腿、卡蘭。

2）根據資料顯示，第一回風巷底板主要為炭質泥巖，煤質比較松軟，施工人員首先要使用風鎬對松軟的底板進行起底，起底的深度和寬度均為0.3 m，長度可以根據具體頂板的破碎距離及工字鋼棚的數量決定，完成后使用混凝土對起底部分進行澆筑。

3）當施工人員將棚腿底座安裝完畢后，在底座上分別安裝兩根棚腿，并用螺栓進行固定。棚腿與頂梁要采用卡蘭進行固定，固定后的預緊力不得低于150 N·m。

4）相鄰鋼棚架設距離為1.0 m，當施工人員將所有鋼棚架安裝完畢后，需采用兩組連接桿將兩架鋼棚棚腿進行固定，來提高鋼棚的整體穩定性，此外還需在相鄰鋼棚的頂梁間填補5塊規格為1.0 m×0.5 m的水泥護板，確保護板與頂板間接觸嚴密。

3 結語

1）巷道采用撞楔支護后，頂板距離增加了原來的一倍，破碎區域的頂板下沉量大大減小，且未出現頂板大面積破碎垮落的現象，確保了巷道的支護安全，巷道的掘進速度也提高到現在的9.5 m/d，是原來掘進速度的兩倍，為后期工作面的設備穩裝節約了大量的時間。

2）通過鋼棚支護與永久支護對破碎頂板進行支護，改變了傳統單一的支護方式，采用主動與被動相結合的新方式，大大提高了巷道的支護效果。技術人員對支護后的巷道離層情況進行記錄，架設工字鋼棚后頂板下沉量為0.11 m/d，而且隨著掘進的延伸下沉量越來越小。