破碎頂板工作面端頭復合支護技術應用

吳光輝

（晉煤集團趙莊二號井 ，山西 長治046000）

常村煤礦采煤工作面存在設備布置多、供電運輸系統長、頂底板承受的礦壓大、人員管理復雜等現實問題，而工作面切眼與上下順槽連接處的端頭是人員行走、拉煤運輸等的主要通道，該地點懸頂面積大，且承受著來自采空區和周期來壓的頂底板壓力，以及煤巷兩邊煤壁的側向壓力等綜合壓力的考驗，一旦出現問題，將直接影響采煤面的運輸系統，阻擋人員撤離的逃生通道[1-3]，因此，做好采煤工作面端頭支護的加固工作是保證工作面安全回采的主要條件之一。

1 工作面概述

常村煤礦采用立井單水平盤區開拓方式，目前主要在+810水平開采3#煤層，核定生產能力為176萬t/a，礦井水文地質類型劃分為極復雜、地質類型劃分為中等，礦井正常涌水量為149m3/h，最大涌水量為224m3/h。礦井排布有兩個采區，布置兩個個采煤工作面，均采用綜采放頂煤，另有3個掘進工作面，采煤工作面采用走向長壁沿底回采放頂煤生產工藝，其中3305回采工作面位于三盤區中部，盤區大巷以西，為傾向布置工作面，巷道設計長度為1940m，切眼斜長215m，煤層傾角2°～10°，平均傾角5°，巷道斷面5.4m×3.1m,斷面跨度大，頂板條件相對較差，易破碎，在切眼兩端與上下順槽交叉處，容易出現空頂與來壓作用影響，因此，需對端頭支護的加固施工工藝進行摸索探究。如圖1：3305工作面平面布置示意圖。

圖1 3305工作面平面布置示意圖

2 破碎段端頭支護形式

采煤工作面的端頭支護一般采用兩種形式：主動形式與被動形式。主動方式是通過在掘進期間向煤層的穩定巖層頂板打設規則的錨桿和錨索，對頂板起到懸吊作用進行主動支護；被動方式是通過在巷道回采時架設梁棚，并在棚下打設液壓單體柱進行復合式支護的方式，被動的等待頂板來壓后，作用在棚梁上，起到被動等壓的效果，待來壓穩定，重新分布，以達到新的動態平衡。

2.1 主動支護方式

2.1.1 錨桿支護

錨桿采用型號為Ф20mm×2.2m的高強度螺紋錨桿，順巷道架棚方向按照0.9m×0.8m的間排距打設，恰好每排可打7根錨桿。

在打設錨桿、錨索后，為了避免頂板周期來壓，或因為架棚、支護質量不合格，導致頂板破碎垮落現象發生，造成碎矸傷人事件，要預先在頂板鋪設金屬網，使金屬網緊貼巖面，布置4700 mm×78mm規格鋼筋托梁，然后施工錨桿眼，攪拌錨固劑，并對錨桿進行漲拉預緊，起到防護效果。巷道支護示意圖如圖2所示。

圖2 錨桿錨索主動支護示意圖

2.1.2 錨索支護

在施工完錨桿支護后，仍需采用長孔加固的錨索進行補充加強支護，通過不同層位的深淺孔結合，可有效對頂板不同圍巖類型進行合理加固，采用錨索支護時，主要選用Ф17.8mm×8m錨索進行打設，為了強化錨索對頂板的支護強度，實現錨索間的連鎖，在每兩根錨索之間垂直巷道架棚方向順序固定一根錨索梁，加強懸頂作用，錨索梁長一般選型為2.2m，錨索間距1.8m，梁頭接觸緊密排列，錨索梁除了加強對頂板的主動支護外，也能對錨桿鋼梁起到提拉加固作用。通過錨索支護的深孔打設，可有效將頂板加固于穩定砂巖層中，達到控制效果。

2.2 被動支護方式

2.2.1 架棚支護

在工作面頂板破碎地段，采用5.4m長的工字鋼鋼梁進行雙棚架設，即每兩棚合并背設成為一個整體棚，既能夠有效增加背頂面積，也可以增強來壓時的頂幫部抗壓強度，由于頂板承受壓力遠大于幫部煤墻外鼓膨脹壓力，因此，架棚后要在工字鋼棚梁頂部沿垂直方向依次按照間距0.3m進行背設背板或小原木，在背板上方再鋪設一層金屬網，防止破碎帶局部掉矸現象，在來壓時煤層垮落形成網兜，增加人員通過時的安全系數，創造安全環境。工字鋼棚蹬腿后，可使用雙串桿從棚梁處向下按照0.4m的間距依次向下背設，當煤壁來壓、膨脹出現鼓包時，可剪開網兜，或通過施工松幫泄壓孔的方式對煤壁進行釋放泄壓，減少對棚腿側幫的壓力影響，減少巷道變形量，提高支護強度。

圖3 復合支護示意圖

2.2.2 邊路抬棚支護

雖然通過打設錨網索增加了頂板的主動懸吊作用，但鋼棚缺少上行有效支撐，因此，可通過在棚梁下打設抬棚的方式加強支護。

對工字鋼棚的壓力來源可從兩個方向性進行分析，其一主要是來自頂板和底板的垂直方向應力影響，主要作用在棚梁上；其次是煤壁兩側或煤壁與采空區方向橫向的壓力影響，主要作用在棚腿上。因此，為了解決側幫壓力，可在距工字鋼棚梁兩端1m處各打設一排邊路抬棚，抬棚梁采用π型梁垂直工字鋼棚方向進行打設，在抬棚梁與工字鋼量垂直交接的地方打設一根單體柱，根據一般巷道巷高，可使用伸縮量滿足3.5m巷高要求的單體柱即可，結合抬棚梁長度和巷道作業空間，可選取使用“一梁三柱”抬棚方式，其目的在于當巷道側幫壓力顯現，造成棚腿憋幫變形，短期內無法修復，失去對工字鋼棚梁的支撐作用下，邊路抬棚可加強對棚梁的補充支護作用，防止兩幫壓力不均勻，導致棚梁脫落和架棚變形失力的后果。

2.2.3 中路抬棚邁步掩護支護

在邊路抬棚對棚腿側幫壓力補充支護外，中路抬棚主要為了輔助工字鋼棚梁強化對頂板來壓與底板鼓起時的垂直應力方向的支護，在工作面正常回采生產期間，由于端頭施工需要對采空區棚梁進行回收，采空區垮落頂板與切眼端頭空間的應力分布不均，會在接觸面形成巨大的壓力，而當端頭回棚減小抵抗應力時，會造成采空區內的壓力釋放，甚至造成端頭支架和抬棚推磨現象發生，因此，為了減小回棚時的抵抗應力影響，可在中路施工兩排抬棚進行加強支護，在實際操作過程中，中路抬棚按照交替邁步式向前回撤，當需要回收一棚梁時，抬棚向前移動0.6m，使抬棚末端始終緊貼于應力結合面，當支撐升起貼于頂板后，原來平行的另一組中路抬棚同樣向前移動0.6m，依次進行替換，實現邁步掩護支護，確保將不平衡應力面造成的影響降到最低，實現對采煤面端頭的安全支護加固。

3 支護強度抗壓性分析

由于巷道掘進期間對頂板施工錨網索支護的主動形式可有效控制頂板圍巖緩慢下沉，為后期工作面回采創造安全條件，且減少因頂板壓力大造成的大量工字鋼棚修護現象，因此，主動支護形式對頂板支護的作用毋庸置疑。為了驗證抬棚數量與支護形式對架棚支撐作用強度的影響效果，在工作面上下巷端頭以不同抬棚形式打設，各進行一個月的參數收集，為了避免動態因素的影響，根據工作面月度推進度，在切眼外端上下巷30m處各布置一個觀測點，記錄原始數據，每5天對巷道頂幫移近量進行采集。具體實驗方法如下：①首月在上端頭只打設兩邊路抬棚，不打中路抬棚；②次月在上端頭只打設兩路中路抬棚，不打邊路抬棚；③首月在下端頭按照正規循環打設兩邊路抬棚，與中路邁步交替式抬棚；④次月在下端頭打設兩邊路抬棚與單排中路抬棚。經兩個月的數據采集對比，分析見附圖4。

圖4 抬棚支護巷高變形參數對比

圖5 抬棚支護兩幫形變參數對比

從圖4數據分析得知，隨著工作面的推進垂直壓力不斷顯現，但實驗方案三的巷道移近量最為平緩，且數值最低，說明此支護方式起到了對頂底板的抗壓效果。

從圖5數據分析得知，隨著工作面的推進兩幫部也受到煤體擠壓的側幫應力作用，有無邊路抬棚的影響較為明顯，但中間抬棚的單路與雙路布置影響甚微。

綜上所述，在經過四組實驗驗證后，進行綜合分析評價，實驗三的整體效果較為顯著，能夠有效減小架棚巷道頂幫壓力的影響，說明起到了良好的支護加強作用。

4 結 語

本文通過對大采深采煤工作面的端頭施工地點進行分析探究，詳細總結出了架棚巷道所承受壓力的來源，并對其方向性與作用方式進行闡述說明，進而有針對性地提出面對主動支撐與被動等壓條件下所采取的防范推棚的有效措施，通過打設頂板的錨網索復合支護，在架棚巷道的工字鋼梁下打設兩幫部邊路抬棚，配合中路抬棚進行邁步掩護式交替施工，協調工作面回采期間的各方應力實現動態平衡，通過現場實驗，將影響降到最低，減少工字鋼棚的復修率，實現經濟利益的最大化，同時，也為礦井其他具有相同條件的工作面提供參考依據，推廣經驗，確保礦井的高效安全生產。