碎頂巷道架棚支護向新型錨網索支護轉換的研究

張經緯

（汾西礦業集團公司水峪煤業， 山西 孝義 032300）

引言

井工煤礦采掘頂板支護主要包括采煤工作面頂板支護及巷道支護兩部分，采煤工作面的頂板支護隨著綜采液壓支架的不斷發展，其支護工藝及支護效率已取得較大進步。巷道支護處于地質軟巖、裂隙發育、破碎頂板、頂板淋水等特殊條件下的巷道，其巷道的快速掘進及有效支護仍面臨諸多困難[1-2]。本文針對某礦10110工作面運輸順槽的頂板支護展開研究，對傳統工字鋼架棚支護工藝進行革新及優化，通過設計并實踐應用新型錨網索支護工藝，以達到對其淋水破碎頂板的有效支護。

1 工程概況

該礦10110工作面開采太原組10號煤層，煤層厚度范圍1.8～3.4m，平均2.7m，煤層傾角范圍2°～9°，平均5°，賦存較為穩定。10號煤層直接頂為粉砂巖，局部為泥巖，水平層理發育，厚度范圍1.4～3.2 m，平均2.2 m，其上部為平均厚度僅1 m的9號煤層；煤層老頂為深灰色石灰巖，厚度范圍3～15 m，平均為9 m，為致密塊狀，巖性較堅硬，裂隙中充填方解石脈；直接底為粉砂巖，平均厚度約4 m，局部為泥巖。10110工作面運輸順槽初始設計為梯形斷面，采用11號礦用工字鋼架棚支護，棚梁上凈寬3m，下凈寬3.8 m，凈高2.5 m，棚距0.8 m，頂梁背頂串桿6根均勻布置，兩幫背幫串桿各4根均勻布置，頂部鋪設金屬網，巷道沿10號煤層頂板掘進。

2 工字鋼架棚支護現狀

經過現場工程實踐調研，10110運輸順槽的巷道圍巖支護主要存在以下特點及難點：該巷道直接頂為裂隙較發育的粉砂巖，經巷道掘進時期的應力擾動，頂板較為破碎，承載能力及自穩能力差，加之局部直接頂為泥巖，在頂板水的作用下膨脹弱化，使頂板的完整性及強度降低；由于本巷道老頂為富水性較強的K2石灰巖，頂板水沿裂隙涌入，頂板水對裂隙及泥巖的侵蝕，加劇了頂板的膨脹及破碎；由于特定的頂板厚度及巖性分析，如采用常規錨桿支護，無穩定巖層進行懸吊錨固，其層理發育的直接頂及9號煤層易發生離層甚至失穩垮冒。

而初始設計的工字鋼架棚支護，在施工及使用過程中發現其主要存在以下缺陷。工字鋼架棚支護屬于被動支護，不能及時給圍巖施加主動支護力，增阻速度慢且工作阻力小；工字鋼架棚支護的實際支護狀態與理想狀態差距較大，如圖1所示，工字鋼棚與頂、幫往往不是全面接實，而是呈現點接實或局部接實，因而難以發揮出其強度和承載能力；淋水頂板變形較大，容易造成棚梁中部等區域出現應力集中，棚梁變形，并導致頂板離層，于圍巖控制不利；掘進支護期間速度慢，效率低，勞動強度大，材料成本高，掘進斷面利用率低[3-4]；前期支護效果監測表明，掘進后1個月內工字鋼棚變形，頂板平均下沉量達50mm，受臨近工作面動壓影響后的下沉量達200～300mm，造成棚梁彎沉、扭轉、支護失效，陷入前方掘進、后方維修的不利局面。

圖1 工字鋼架棚支護示意圖

綜上所述，基于10110運輸順槽的地質生產條件及前期支護實踐，工字鋼架棚支護對該巷道的淋水、破碎頂板支護效果不佳，巷道掘進速度慢，后期維護成本高，無法保證采掘工作的高產高效。

3 錨網索新型支護方案設計

3.1 支護方案設計原則

錨桿索支護技術近年來在我國得到廣泛應用，相比于傳統的金屬支架支護，其具有承載力強、主動預緊力高、圍巖自穩性高、施工快、勞動強度低等優點，對于本礦10110運輸順槽，若采用錨桿索配合掛網支護，應掌握以下原則。第一，充分利用錨桿索支護的主動性，將錨固范圍內的圍巖形成一個整體，提高圍巖的自穩能力及承載能力；第二，考慮到普通錨桿支護無穩定巖層進行錨固，可充分借助錨索支護的長度優勢，將錨固區延伸至頂板上位穩定巖層中，從而將錨桿錨固形成的淺部圍巖與錨索錨固形成的深部圍巖連接成一個穩定的大錨固體，即根據直接頂平均厚3.5 m，錨索錨固點應深入穩定巖層中至少1 m原則，頂板單體錨索長度應大于4.5 m；第三，針對淋水型頂板，應使用防水性錨固劑進行錨固，并采取加長錨固、打泄水孔等措施，將淋水對支護的影響降至最低；第四，針對煤矸破碎頂板，還應加強金屬網的使用，對破碎頂板進行包裹，防止煤矸墜落；第五，采用先進可靠的錨桿索施工機具及可靠的監測手段，對頂板離層、圍巖位移等進行監測，確保支護性能達標[5-6]。

3.2 新型支護方案設計及參數說明

參考其他礦井類似成熟經驗，結合數值模擬對支護密度對強度的模擬參數，設計巷道掘進采用矩形斷面，采用新型防水錨固劑、高強度錨桿、金屬網、鋼筋梯子梁、小孔徑預應力錨索的聯合支護總體方案，設計的支護方案如圖2所示。支護方案及參數說明：頂錨桿每根使用CK2340、K2340（2支）樹脂藥卷，錨固長度1200mm，預緊力矩不低于180 N·m，間排距850mm；頂錨索采用高強度低松弛預應力鋼絞線，樹脂加長防水錨固劑FSCK2340、FSK2340（3支），錨固長度1600mm，預緊力不低于200 kN，排距1700mm；幫錨桿分別使用玻璃鋼及普通麻花錨桿，選用3800mm×1000mm菱形金屬網及Φ12mm的鋼筋焊接的鋼筋梯子梁；對于頂、幫淋水嚴重區域，錨桿也采用防水錨固劑。

4 應用實踐分析

該礦暫停工字鋼架棚支護，在100 m的巷道試驗段采用錨網索新型支護方案進行支護，對圍巖的離層值、頂底板移近量、兩幫移近量的連續觀測80 d，頂板離層值錨索錨固區控制在5mm以內，錨桿錨固區控制在6mm以內；頂底板移近量控制在150mm以內，平均72mm；兩幫移近量控制在120mm以內，平均58mm。圍巖變形控制效果良好，表明10110運輸順槽的試驗段采用錨網索新型支護方案取得了良好的支護效果。

圖2 錨網索新型支護方案布置圖（未標單位：mm）

5 結論

10110運輸順槽的掘進支護面臨諸多困難，傳統的工字鋼架棚支護存在被動支護、頂板離層、圍巖變形、棚梁變形、支護失效等缺陷，工字鋼架棚支護對該巷道的淋水、破碎頂板支護效果不佳。針對具體的工程問題，設計出采用新型防水錨固劑、高強度錨桿、金屬網、鋼筋梯子梁、小孔徑預應力錨索的錨網索新型支護方案，通過防水錨固劑的使用及延長錨固長度，在100 m的巷道試驗段內取得了良好的圍巖控制及巷道支護效果，并在10110運輸順槽的后期掘進中得到了推廣應用。