淺埋深薄基巖平頂拱形棚支護應用

郭 杲

(霍州煤電集團 河津薛虎溝煤業有限責任公司， 山西 霍州 031400)

淺埋深薄基巖煤層具有埋深淺、基巖頂板較薄的特點，頂板巖性較為破碎，支護困難，許多學者對此進行了研究。張杰等[1]建立窄煤柱-實體煤-基本頂-覆巖共同作用的圍巖結構受力模型，分析淺埋深薄基巖沿空掘巷圍巖結構形成及失穩機理。李召鑫[2]研究表明， 在“三軟”條件下回采巷道應選擇直墻半圓拱形巷道或者平頂U形巷道；鄒莊礦3204工作面采用平頂U形斷面巷道的現場實測表明，巷道圍巖變形量不大，能夠滿足回采時巷道穩定要求，提高了回棚效率。

薛虎溝煤業有限責任公司開采2#煤層為淺埋深薄基巖煤層，巖性較為破碎，使用錨索、桿支護效果較差，掘進工作面選用傳統直壁三心拱29U型鋼棚支護，能夠保證掘進期間的頂板安全管理，但是在回采期間，兩巷超前支護無法合理搭設，橫向搭設π梁后，π梁無法直接接頂，π梁受力不均勻，頂部壓力集中在π梁兩端，無法保證超前支護的安全可靠。為確保支護安全合理，經過圍巖結構穩定性分析，從U型鋼支架塑性區分布與位移分布角度分析得出，決定在掘進工作面采用平頂拱形棚支護。

1 平頂拱形棚與直壁三心拱棚斷面參數對比

1.1 平頂拱形棚

在原直壁三心拱29U型鋼棚基礎上，降低拱棚高度10 cm，棚梁頂部變為平頂，棚梁弧度發生變化，棚腿不變，棚梁與棚腿搭接處保持原弧度。使用平頂拱形棚巷道參數：凈寬4.2 m，凈高2.9 m，凈斷面11.0 m2，毛寬4.7 m，毛高3.15 m，毛斷面13.2 m2.

1.2 直壁三心拱棚

使用直壁三心拱棚巷道成型后參數如下：凈寬4.2 m，凈高2.9 m，凈斷面11.3 m2；毛寬4.7 m，毛高3.25 m，毛斷面13.35 m2.

1.3 參數對比

使用平頂拱形棚后巷道寬度不變，高度比原先低10 cm，凈斷面比原先小0.3 m2，通過驗算，巷道參數能滿足機電設備安裝、運輸、行人、通風等要求。

棚架斷面對比圖見圖1. 從圖1可以看出，順槽巷道為直壁三心拱棚時，在回采期間選用2.4 mπ梁、3.2 m單體柱作為超前支護，π梁頂部距巷道頂部310 mm，可用不同長度木板梁充填接頂，但受力不穩定，使用短π梁后，上述問題依然存在。順槽巷道為平頂拱形棚時，在回采期間選用2.4 mπ梁、3.2 m單體柱作為超前支護，在平頂拱形棚巷道π梁頂部與巷道頂部間距為150 mm，可用木板梁充填接頂或根據現場采用短π梁直接接頂。也可采取另一種超前支護方式，即在平頂拱形棚梁兩端直接支設單體柱，不再支設π梁,可降低超前支護難度，提高支護效果。

圖1 棚架斷面對比圖

2 平頂拱形棚支護設計

2.1 支護設計參數

平頂拱形棚采用29U型鋼棚制作，棚距0.8 m. 柱窩深度0.2 m，棚梁腿搭接0.5 m，每架棚二牛背處每邊用一副拉桿聯接，卡纜內間距為0.26 m，卡纜螺母扭矩為200 N·m；棚梁上部鋪設木背板，背板間距400 mm，背板上部鋪設鋼筋網，鋼筋網上部鋪設阻燃膠布，再上部鋪設背板、構木接頂，并用木楔打緊打牢；棚腿直腿部分緊貼棚腿均勻布置3根背板，背板后部鋪設菱形網與阻燃膠布緊貼煤壁，并用木楔打緊打牢，網與網搭接100 mm，每20 cm聯網一道。平頂拱形棚支護斷面見圖2. 斷面尺寸見表1.

圖2 平頂拱形棚支護斷面圖

表1 平頂拱形棚斷面尺寸表

2.2 材料規格

每掘進1 m消耗29U型鋼10.3 m，背板19根，木楔19塊，構木19根，鋼筋網6.76 m2，菱形網4 m2，阻燃布10.76 m2. 背板規格1 000 mm×150 mm×80 mm，構木規格1 000 mm×80 mm×80 mm，鋼筋網規格1 200 mm×900 mm，鋼筋直徑為6.5 mm，網格100 mm×100 mm，菱形網規格3 000 mm×1 000 mm，網格為40 mm×40 mm，10#鐵絲，阻燃布規格10 000 mm×900 mm×0.5 mm，聯網絲為14#鉛絲。

2.3 臨時支護

采用前穿板梁臨時支護，在緊靠工作面迎頭第一架棚梁上方穿插4根板梁，在兩幫二牛背處各穿插2根板梁進行臨時支護，板梁穿入棚梁200 mm，板梁伸出長度800 mm，用木楔打緊打牢，板梁規格：長1 000 mm×寬150 mm×高80 mm.

3 試驗監測

3.1 掘進期間

在巷道順槽兩巷采用平頂拱形棚支護試驗100 m，施工完成后，對平頂拱形棚支護段按照20 m一組布置巷道位移量觀測站，監測主要參數為平頂拱形棚拱部及直墻部變形情況，一周以內每日進行觀測，一個月后無變化每周觀測一次，定期觀測數據并進行匯總分析。

巷道位移量觀測站采用“十字”布點的方式，在棚架梁中部用噴漆噴“十字”標記，在棚架兩側棚腿直墻與拱部交接處(距底板1.6 m)用噴漆噴“十字”標記。測量時，在兩側標記處拉線繩，調整線繩保持左右水平，測量頂部標記點距線繩垂直距離，作為監測指標1，測量棚架兩側標記點距離，作為監測指標2. 每架棚架好后，測量上述指標并記錄，作為原始數據，后期測量數據與原始數據對比、分析。測點布置方式見圖3.

圖3 測點布置方式圖

3.2 回采期間

初采開始后，每日對正副兩巷距切巷口50 m棚架范圍進行巷道位移量觀測，50 m以外的每周觀測一次，觀測方法同掘進期間一致。對超前支護段進行加強觀測，對比巷道位移量變化數據。

在回采期間正副兩巷超前支護方式一共兩種：一種是選用2.4 mπ梁、3.2 m單體柱作為超前支護；另一種是在平頂拱形棚梁兩端直接支設單體柱。對于兩種超前支護方式，每種設定區域分別進行試驗，根據現場頂板情況及巷道位移量觀測數據變化，進一步確定超前支護方式。

3.3 效果分析

棚梁腿搭接方式：棚梁腿交叉搭接，搭接面為圓弧，且用兩副卡纜固定；棚架與棚架之間聯接方式：兩種架型均可用圓鋼制作的拉桿聯接，拉桿的數量可根據實際情況增加或減少；受力情況分析：平頂拱形棚頂梁水平段為1.6 m，跨度為2.8 m，頂梁垂直受力段為1.6 m，其余受力在頂梁兩側圓弧段，頂部壓力通過兩側圓弧傳遞于兩側棚腿，壓力增大時，棚梁腿搭接處可回縮，釋放部分壓力，頂梁不易變形。經過巷道位移量監測，監測指標1在巷道最大回縮量情況下觀測值為1 290 mm,監測指標2在巷道最大回縮量情況下觀測值為4 193 mm,變化量均在設計范圍內。

在滿足通風系統及頂板支護的要求下，支護斷面平頂拱形棚較三心拱棚掘進斷面減小0.3 m2，掘進過程中減少了人力支出及出渣時長，降低了運輸設備的電力損耗；回采過程中超前施工較原三心拱斷面減少了施工背板構頂工藝，降低了職工勞動強度，避免構頂期間人員登高作業，節省了木材支護費用，提高了超前支護效果，確保了巷道施工頂板安全。

4 結 論

薛虎溝煤業2#煤層在淺埋深薄基巖地質條件下，采用平頂拱形棚支護后，巷道位移量監測數據均符合設計要求，支護效果良好，為回采期間超前支護施工創造了良好條件，降低了職工勞動強度，同時也可確保超前支護質量，實現安全生產。

Application of Support of Shallow-buried and Deep-thin Bedrock Flat-top Arched Shed

GUO Gao

AbstractThe No.2 coal seam of Xuehugou Coal Industry is a shallow buried deep and thin bedrock coal seam. In order to ensure the safety and reliability of the advance support of the two roadways during mining, the flat-top arched shed is designed for support. On the basis of the shed, the top of the shed beam becomes a flat roof, and the overlap between the shed beam and the shed legs maintains the original arc. The results show that the support effect of the flat-top arched shed is better under the condition of shallow buried deep and thin bedrock roof.

KeywordsShallow buried deep and thin bedrock coal seam; Straight wall three-core arch shed; Flat-top arched shed; Roadway displacement