雙梁鋼棚支護在順槽超前應力區中應用

劉 超

（長春興煤業有限公司，山西 大同 037101）

工作面回采期間受多重集中應力作用下，工作面超前應力區順槽圍巖出現破壞現象，破壞了巷道頂板承載梁結構，降低了頂板整體穩定性，很容易出現頂板破碎、冒漏現象；傳統破碎圍巖主要采用錨桿（索）、鋼帶、金屬網聯合支護，而巷道圍巖在應力作用下產生圍巖裂隙，導致圍巖內形成松動圈，松動圈內巖體成破碎狀，錨桿（索）在圍巖松動圈內錨固效果差，錨桿（索）預應力無法傳遞至穩定巖體內，降低了圍巖支護應力承載梁穩定性，達不到預期支護效果；本文以長春興煤礦602工作面為研究對象，對工作面回采期間應力區順槽采取合理有效的支護技術。

1 概述

長春興煤業有限公司602工作面位于井田南盤區西翼，工作面東西走向布置，工作面北部為未采區，南部為601采空區，西部為井田邊界，東部為南盤區大巷。

602 工作面設計走向長度為2066m，傾向長度為230m，工作面回采煤層為22#層，平均厚度為9.5m，工作面煤層賦存穩定，工作面煤層坡度較小，總體上回風順槽高于運輸順槽一側兩巷高差約2～16m，工作面平均坡度-2°。煤層頂底板巖性如表1所示。

表1 602工作面回采的22#層頂底板巖性表

602 工作面采用綜合機械化回采工藝，截止2021年11月13日工作面已回采至750m處。

2 工作面回采技術難題

2.1 工作面地質現狀

602工作面在回采過程中預計揭露7條正斷層，一條陷落柱，斷層平均落差為0.9m，平均傾角為57°，最大斷層位于612m 處，落差為1.3m，對工作面回采影響長度為28m，其它斷層對工作面回采影響不大；工作面回采至745m 處位于回風順槽側揭露一條X1 陷落柱，陷落柱成橢圓狀，陷落柱長軸長為47m，斷軸長29m，長軸與回風順槽近似水平，602回風順槽在掘進過程中已揭露X1 斷層。陷落柱腔體巖體主要以不規則的泥巖為主。

2.2 工作面回采現狀

602工作面揭露陷落柱后工作面圍巖破碎嚴重，位于回風順槽側煤壁片幫嚴重，602回風順槽在構造應力以及回采應力等集中應力作用下，出現頂板下沉、破碎，底板鼓起現象；當工作面回采至750m 處時位于回風順槽側巷幫出現垮落，導致工作面頂板斷裂，出現跨度，同時受集中應力影響工作面超前20m 范圍內底板出現嚴重底鼓現象，通過現場觀察發現，受集中應力影響回采順槽頂板下沉量達0.37m，底鼓量達0.45m，兩幫收斂量達0.54m。

2.3 順槽圍巖破碎機理

通過現場對順槽圍巖觀察發現，602回風順槽圍巖出現嚴重變形現象主要原因體現在以下幾方面：

（1）集中應力影響：602 工作面在過陷落柱期間在工作面前方20m 范圍內形成集中應力區，該集中應力對工作面煤體以及回風順槽產生剪切破壞作用，對回風順槽圍巖產生二次破壞作用，破壞了圍巖穩定性，導致順槽圍巖內產生裂隙區，降低了原巷道永久支護效果，導致圍巖破碎、收斂等變形現象。

（2）支護效果差：602 工作面回采期間對順槽30m范圍內主要采用單體液壓支柱支護，每排布置三根單體柱，單體柱采用一梁一柱支護方式，頂梁采用長度為0.5m“π”型梁，單體柱支護間距為1.5m，排距1.0m，受順槽頂板變形影響，單體柱支護斷面小、支護強度低，單體柱出現變形、卸壓現象，達不到預期支護效果。

3 應力區雙梁鋼棚支護應用

為了提高602工作面應力區圍巖支護效果，決定對602 回風順槽應力區支護進行優化提出了雙梁鋼棚支護。

3.1 雙梁鋼棚支護結構

（1）雙梁鋼棚主要棚腿、雙梁、底座、卡纜、連接桿等部分組成，如圖1 所示，棚腿長度為3.3m，采用11#工字鋼梁制成，棚腿底端安裝一塊連接板，連接板長度為0.2m，寬度為0.15m，厚度為8mm，連接板四個角各焊制一個直徑為25mm卡纜固定孔。

圖1 602回風順槽雙梁鋼棚支護結構及支護平面示意圖（單位：mm）

（2）棚腿兩側各焊接一組直徑為30mm連接桿桿固定圓環，兩組圓環布置間距為0.5m，在棚腿底端采用螺栓安裝一個底座，底座采用長度及寬度為0.4m 拱形鋼板制成。

（3）雙頂梁主要由縱梁和橫梁焊制而成，縱梁及橫梁全部采用11#工字鋼制成，其中縱梁長度為4.5m，橫梁長度為0.5m，在縱梁上焊接三塊連接板，在橫梁中部焊接一塊連接板，連接板規格為長×寬=0.2m×0.15m，連接板四個角各焊制一個直徑為25mm卡纜固定孔。

3.2 雙梁鋼棚支護方式

（1）雙梁鋼棚架設在602 回風順槽超前應力區內，第一架鋼棚架設在距工作面5.0m 處，相鄰兩架鋼棚布置排距為1.5m，當工作面回采煤壁距鋼棚間距不足2.0m 時及時回撤鋼棚前移，鋼棚回撤后采用單體柱進行臨時支護，單體柱采用“三柱一梁”支護方式。

（2）雙梁鋼棚架設順序為：底座→棚腿→頂梁→連接桿；棚腿與頂梁之間采用卡纜進行固定，固定必須牢固可靠，每架鋼棚安裝三根棚腿，棚腿必須垂直頂梁布置。

3.3 實際應用效果

（1）圍巖變形控制效果：602 回風順槽應力區采取雙梁鋼棚支護后，對巷道每隔10m 安裝一套圍巖變形監測儀，包括一套YH-300型頂板離層儀和一臺兩幫監測器，通過現場觀察發現，雙梁鋼棚支護后5d范圍內圍巖變形量較大，在5～8d 范圍變形量逐漸減小，在8d 后頂板趨于穩定，頂板最大下沉量為0.14m，兩幫最大收斂量為0.21m，局部出現底鼓現象，最大底鼓量為0.27m。

（2）支護變形情況：602 回風順槽應力區采取雙梁鋼棚支護后，鋼棚變形現象明顯降低，工作面在過集中應力區期間共計架設32架，嚴重變形鋼棚1架，修復可利用鋼棚4架，其它27架鋼棚未出現變形現象，與傳統單體柱相比，應力區臨時支護維修費用減少了40.3萬元。

4 結語

（1）與傳統矩形鋼棚相比，雙梁鋼棚支護截面積大，采用“一棚三腿”支護方式，支護強度高，能夠適用于大應力圍巖中，而且鋼棚可修復二次利用，降低了支護成本費用。

（2）回風順槽應力區采用雙梁鋼棚支護后，減少了臨時支護數量，降低了勞動支護強度，同時增加了順槽人員流動及物料運輸空間。

（3）雙梁鋼棚支護可應用于不同斷面的大應力采掘巷道中，而且還可應用于橋梁、隧道等領域中，實用性好，應用領域廣。