應力區巷道支護優化應用分析

曹志輝

（山西焦煤集團山煤國際長春興煤業公司，山西 大同 037101）

1 103運輸順槽概況

山西焦煤集團山煤國際長春興煤業公司103運輸順槽位于北盤區東部，巷道東西走向布置，北部為103工作面回采區域，南部為101采空區，西部為北盤區大巷，東部為井田邊界。103運輸順槽設計掘進長度為1 200 m，巷道掘進斷面規格為寬×高=4.2 m×3.7 m，巷道沿22號煤層底板掘進，煤層平均厚度為9.5 m，平均傾角為2°，巷道預留頂煤厚度為5.8 m，巷道采用綜合機械化掘進工藝。

103運輸順槽主要采用錨桿、錨索、金屬網等聯合支護；頂板每排布置5根錨桿，錨桿長度為2.0 m、直徑為22 mm，錨桿布置間排距均為1.0 m，錨桿外露端安裝一根長度為4.2 m“W”型鋼帶；頂板每排布置3根錨索，錨索長度為6.0 m、直徑為17.8 mm，錨索布置間距為1.8 m、排距為3.0 m，錨索外露端安裝一塊長度及寬度為0.3 m托盤；護幫采用單錨桿支護，每排布置4根，錨桿布置間排距為1.0 m，護幫錨桿長度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿外露端安裝一塊長度為0.45 m托盤；頂板及巷幫采用同一種金屬網，金屬網長度為4.0 m、寬度為2.0 m，網格為棱形狀。

截止目前103運輸順槽已掘進477 m，巷道掘進至475 m處揭露一條F7正斷層，斷層落差為2.4 m，受斷層影響巷道圍巖出現嚴重破碎現象，導致巷道頂板及兩幫錨桿（索）支護效果差，起不到預期支護效果。

2 巷道支護優化應用

為了解決傳統錨桿（索）支護在應力區主要存在的問題，決定對103運輸順槽支護進行優化，采用液壓矩形鋼棚支護。

2.1 支護結構

1）液壓矩形鋼棚主要由基座、伺服電機、主動齒輪從動齒輪、套筒、伸縮桿、頂梁、雙向電機、絲桿、滑塊、側護板、固定塊、活動塊、滑桿、限位塊、復位彈簧、限位槽、壓縮彈簧、壓板、觸點等部分組成，如圖1所示。

2）基座內部為空腔結構，空腔內壁底部安裝主動齒輪，主動齒輪安裝有伺服電機，電機輸出軸與主動齒輪固定連接，主動齒輪兩側對稱布置轉動連接的從動齒輪，且主從動齒輪完全嚙合。

3）基座上部對稱安裝轉動連接的套筒，套筒底端延伸至基座空腔內并與從動齒輪頂部固定連接，套筒內壁頂部套設有轉動連接的伸縮桿，其頂部安裝一個頂梁[1-2]。

4）頂梁內部同樣為空腔結構，腔體內安裝一臺雙向電機，且雙向電機兩個輸出軸均套設有第二絲桿，第二絲桿外壁套設有轉動連接的滑塊，滑塊與頂梁腔體內壁滑動連接，同時滑塊一端延伸至外側并與側護板連接。

5）頂梁底部中心安裝固定塊，固定塊外壁兩側對稱設有轉動連接的活動塊，活動塊外壁遠離固定塊一側設置為腔體，腔體內壁匹配設有滑動連接的滑桿，滑桿一端與側護板外壁底部轉動連接。

圖1 液壓矩形鋼棚結構示意圖

2.2 支護原理

1）首先將液壓矩形鋼棚安裝在需要支護的區域，伺服電機開始工作，帶動主動齒輪進行運動，從而帶動兩個從動齒輪進行運動，此時套筒隨之進行轉動，從而帶動伸縮桿向上進行運動，頂梁伸縮桿作用下向上進行移動，從而對頂板進行有效支護[3-4]。

2）利用齒輪控制兩個套筒同步轉動，從而使得兩邊伸縮桿同步上升，避免頂梁運動時出現偏移，保證了鋼棚支護穩定性，頂梁支護穩定后，雙向電機開始工作，帶動兩個絲桿進行轉動，從而推動側護板相向運動，實現對巷道兩幫進行支護。

3）在支護過程中當頂梁向上進行運動時，壓板隨之向上進行運動，壓板首先與頂板接觸，壓縮彈簧被壓縮，壓板與鋼棚頂梁緊密貼合后，此時壓塊始終保持與觸點完全接觸，當鋼棚支護失效時，頂梁與壓板不再緊密接觸，壓縮彈簧推動壓板遠離頂梁，此時壓塊不再接觸觸點，報警系統進行報警，提醒工作人員裝置工作狀態出現問題，保證了裝置的安全性。

3 液壓矩形鋼棚支護優缺點

3.1 支護優點

1）支護強度高：與傳統矩形工字鋼棚相比，液壓矩形鋼棚底座與棚腿為一體，在安裝時更加穩固，而且棚腿采用機械控制，液壓棚腿支撐強度高，承載能力強；同時頂梁截面積大、剛性強不易變形[5]。

2）支護效果好：傳統矩形工字鋼棚支護時只可對頂板進行有效支護，無法對兩幫，特別是巷幫與頂板之間的三角煤柱進行支護，而液壓矩形鋼棚在對頂板支護的同時可通過側護板對兩幫進行有效支護，從而有效防止巷幫垮落現象，大大提高了支護效果。

3）操作方便：傳統工字鋼棚支護時需3～5人配合施工，鋼棚安裝勞動作業強度大，支護時危險系數高；而液壓矩形鋼棚在支護時，只需1人操作即可，操作方便，降低了支護勞動作業強度。

4）實用性強：液壓矩形鋼棚可應用于不同斷面采掘巷道內，而且還可用于橋梁、隧道等領域中，實用性強、應用領域廣。

3.2 支護缺點

由于巷道內粉塵濃度大、鋼棚密封性差，導致粉塵進入局部密封原件，造成鋼棚支護失效等，所以需定期清理鋼棚內粉塵；鋼棚體積大、重量大，在搬運時勞動作業強度大[6]。

4 實際應用效果分析

103運輸順槽掘進至477 m處時對巷道頂板支護進行優化改進，對巷道安裝液壓矩形鋼棚，鋼棚安裝間距為1.5 m，截止2020年12月3日運輸順槽已掘進至524 m處，巷道已完全過F5斷層應力區，應力區內共計架設20架鋼棚，應力區安裝鋼棚后，對應力區頂板安裝1臺YH-300型數字顯示離層儀，通過15 d現場觀察發現，在0～8 d范圍內鋼棚支護后雖然對頂板起到控制作用，但是頂板出現蠕動變形現象，頂板局部出現下沉，在8～13 d范圍頂板蠕動變形現象逐漸降低，鋼棚對頂板起到耦合支護作用，在13 d后頂板穩定不再變形，實測頂板最大下沉量為0.14 m。

5 結語

巷道掘進過程中經常遇斷層、陷落柱、地塹等地質構造，地質構造侵入掘進煤層后破壞了煤層整體穩定性，導致圍巖出現嚴重破碎現象，并在圍巖體內形成松動圈。在圍巖破碎區內采用單一的錨桿（索）支護時不僅支護數量多、支護成本費用高，而且支護失效率高、支護效果差，無法滿足應力區巷道支護需求；103運輸順槽對應力區采取液壓矩形鋼棚支護后，有效控制了頂板變形、下沉現象，防止了應力區頂板垮落事故發生，保障了巷道安全快速掘進，取得了顯著應用成效。