應(yīng)力區(qū)巷道破碎頂板支護(hù)優(yōu)化應(yīng)用

高云鵬

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦， 山西 呂梁 033102）

1 店坪煤礦3022 巷概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦3022 巷位于830 m 水平三采區(qū)左翼，工作面東為井田邊界，西為830 m 南翼系統(tǒng)大巷，南為5-304 工作面（未采），北為5-210 工作面采空區(qū)，工作面上部主要可采煤層為3 號煤層，3 號煤層距5 號煤層57～73 m，5-302 工作面上部對應(yīng)為3-304 工作面，3-304 工作面回采389 m 后停采。

3022 巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度為1875 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.2 m×3.0 m，巷道掘進(jìn)煤層為5 號煤層，5 號煤層位于山西組下部，顏色為黑色，條痕為黑色，玻璃光澤，硬度為3，有一定韌性，參差狀、階梯狀斷口；煤層平均厚度為3.0 m，平均傾角為4°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 5 號煤層頂?shù)装鍘r性匯總

2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及問題分析

2.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

3022 巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截止目前巷道已掘進(jìn)485 m，巷道掘進(jìn)至475 m 處揭露一條正斷層F11，斷層落差為1.7 m，傾角為57°，斷層從鄰近210 采空區(qū)向巷道中部延伸；通過鉆探發(fā)現(xiàn)，該斷層對巷道掘進(jìn)影響長度為50 m，巷道采用EBZ260 型掘進(jìn)機(jī)強(qiáng)行破巖法[1-2]通過該斷層。

由于受斷層應(yīng)力及鄰近采空區(qū)殘余應(yīng)力等影響，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)至475 m 處時(shí)圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)，當(dāng)巷道掘進(jìn)至480 m 處時(shí)圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在兩幫破碎、頂板下沉斷裂及局部支護(hù)失效嚴(yán)重。為了保證巷道安全、快速掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)至480 m 處時(shí)店坪煤礦在原巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對頂板采取補(bǔ)打錨索吊棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，頂板施工的錨索吊棚長度為3.5 m，每架錨索吊棚由一根11 號工字鋼梁及兩根長度為4.5 m 的錨索組成，但是通過實(shí)際應(yīng)用效果來看，巷道掘進(jìn)至485 m 處時(shí)頂板錨索吊棚變形嚴(yán)重，局部出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象，達(dá)不到預(yù)期加強(qiáng)支護(hù)效果。

2.2 原支護(hù)主要存在的問題

1）支護(hù)截面積?。涸瓚?yīng)力區(qū)頂板采取的錨索吊棚主要利用工字鋼梁對頂板進(jìn)行支護(hù)，而11 號工字鋼梁寬度為0.11 m，鋼梁對頂板支護(hù)截面積小，當(dāng)頂板出現(xiàn)大面積下沉、破碎時(shí)，錨索吊棚支護(hù)效果差。

2）支護(hù)強(qiáng)度低：錨索吊棚屬于主動支護(hù)，錨索吊棚支護(hù)原理與頂板錨桿鋼帶支護(hù)原理相同，主要利用錨索將鋼梁吊掛在頂板上并施加預(yù)緊力，從而確保頂板支護(hù)體與頂板達(dá)到支護(hù)目的，但是在應(yīng)力區(qū)巷道中，頂板受應(yīng)力影響圍巖內(nèi)出現(xiàn)松動圈，在圍巖蠕動變形作用下，造成吊棚錨索失效現(xiàn)象，降低了錨索吊棚支護(hù)效果。

3）對頂板破壞嚴(yán)重：由于錨索吊棚主要通過工字鋼梁對頂板起到支護(hù)作用，而工字鋼梁兩側(cè)呈線性，在對頂板支護(hù)時(shí)鋼梁兩側(cè)對頂板進(jìn)行擠壓剪切作用，導(dǎo)致鋼梁對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用，而應(yīng)力區(qū)巷道頂板錨索吊棚施工排距為1.0 m，密集錨索吊棚加劇了頂板破碎力度。

3 頂板支護(hù)優(yōu)化應(yīng)用

為了解決原頂板主要存在的問題，決定對原頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，提出了交叉錨索棚支護(hù)技術(shù)[3-4]。

3.1 支護(hù)工藝

1）每架交叉錨索棚支護(hù)主要由兩根JW 型鋼梁、兩根槽鋼頂梁、四根槽鋼棚腿及五根恒阻錨索組成，如圖1 所示。

圖1 應(yīng)力區(qū)巷道交叉錨索棚支護(hù)平面示意圖（單位：mm）

2）每根JW 型鋼梁長度為4.0 m、寬度為0.32 m、厚度為4 mm，每根鋼梁上布置三個(gè)錨索支護(hù)孔，錨索孔布置間距為1.8 m，首先對應(yīng)力區(qū)頂板施工第一根JW 型錨索鋼梁，鋼梁與巷道呈45°夾角布置，并對鋼梁兩端采用錨索與頂板進(jìn)行固定。

3）第二根JW 型鋼梁與第一根交叉布置，交叉角度為90°，第二根鋼梁兩端同樣采用兩根錨索進(jìn)行固定，兩根JW 型鋼梁安裝后在交叉點(diǎn)采用一根錨索對其進(jìn)行固定。

4）頂板JW 型鋼梁固定完成后，在JW 型鋼梁每個(gè)端頭分別安裝四根長度為3.0 m 棚腿，然后在相鄰兩根棚腿之間安裝一根長度為4.0 m 槽鋼頂梁，槽鋼頂梁安裝后保證頂梁與JW 型鋼梁兩端接觸嚴(yán)實(shí)，并起到支撐預(yù)緊作用。

5）待第一架交叉鋼棚安裝完成后，開始安裝第二架交叉鋼棚，相鄰兩架交叉鋼棚安裝間距為2.0 m，所有交叉鋼棚安裝后在相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用兩組拉桿進(jìn)行固定。

3.2 支護(hù)優(yōu)點(diǎn)

1）施工勞動作業(yè)強(qiáng)度小：傳統(tǒng)工字鋼錨索吊棚施工時(shí)，工字鋼質(zhì)量為26.2 kg/m，每架錨索吊棚需5 人配合施工，施工時(shí)間為1.2 h/架；而JW 型鋼梁相比工字鋼質(zhì)量小，質(zhì)量為12.8 kg/m，每架JW 型鋼梁僅需3人施工即可，大大降低了勞動作業(yè)強(qiáng)度。

2）支護(hù)成本費(fèi)用降低：按應(yīng)力區(qū)長度為50 m 計(jì)算，若采用工字鋼錨索吊棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)時(shí)，施工規(guī)格為1 架/m，共計(jì)施工50 架，每架錨索吊棚成本費(fèi)用為740 元，合計(jì)成本費(fèi)用為3.7 萬元；而采用交叉錨索棚支護(hù)時(shí)，每架錨索棚支護(hù)距離為3.0 m，相鄰兩架間距為5.0 m，應(yīng)力區(qū)共計(jì)架設(shè)10 架即可，每架交叉錨索棚成本費(fèi)用為0.122 萬元，合計(jì)成本費(fèi)用為1.22 萬元，大大降低了支護(hù)成本費(fèi)用。

3）支護(hù)效果好：采用交叉錨索棚支護(hù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了主動與被動同時(shí)支護(hù)的效果，有效提高了應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)作用，避免了因頂板垂直應(yīng)力作用導(dǎo)致兩幫承載能力低，出現(xiàn)兩幫煤柱垮落現(xiàn)象；同時(shí)交叉錨索棚支護(hù)時(shí)，支護(hù)截面積大，避免了工字鋼錨索吊棚支護(hù)時(shí)，對頂板產(chǎn)生的切頂破壞作用。

4 結(jié)語

3022 巷掘進(jìn)至480 m 處時(shí)對頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，施工交叉錨索梁棚支護(hù)。截止2019 年2 月11 日巷道已掘進(jìn)至542 m 處，巷道圍巖已趨于穩(wěn)定，通過現(xiàn)場觀察，巷道已過集中應(yīng)力影響區(qū)；通過對集中應(yīng)力區(qū)施工交叉錨索棚支護(hù)后，有效控制集中應(yīng)力區(qū)圍巖變形現(xiàn)象，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，頂板破碎、下沉現(xiàn)象得到了有效控制，頂板下沉量由原來的0.44 m 降低為0.17 m，巷道幫部與頂板之間的煤柱垮落現(xiàn)象也得到了有效控制，取得了顯著應(yīng)用成效。