厚煤層破碎頂板巷道斷面及支護優化研究

牛國強

（潞安集團余吾煤業有限公司，山西 長治 046100）

1 概況

潞安集團余吾煤業有限公司N1206回風順槽位于井田北風井西翼采區，巷道北接膠帶大巷，南側為實體煤，西側為綜采工作面，東側為N1207回風順槽，巷道設計總長度為927m，設計斷面規格為寬×高=4.5×3.8m。

N1206回風順槽掘進煤層為石炭系3#煤層，平均厚度為6.34m。煤層含有一層偽頂，主要以泥巖為主，平均厚度為0.8m；直接頂主要以泥巖與砂巖混合層為主，平均厚度為2.5m；基本頂主要以粗砂巖為主，平均厚度為9.1m。施工巷道從盤區回風巷沿3#煤層底板開口掘進，預留頂煤厚度為2.6m，巷道開口掘進30m及60m后分別與盤區軌道巷、膠帶大巷貫通，然后構筑風橋后巷道繼續掘進。

N1206回風順槽初步支護設計中，頂板采用錨桿、錨索聯合支護。每排布置5根錨桿，錨桿長度為2.0m，每排錨桿配套一根M型鋼帶，長度為4.2m，錨桿間排距為1.0m；頂板錨索長度為4.5m，每排布置三根，間距為1.8m，排距為3.0m，錨索外露端采用一根長度為0.6m工字鋼梁及鎖具進行預緊。

N1206回風順槽采用綜合機械化掘進施工工藝，巷道已掘進483m。根據余吾礦地測科提供資料顯示，施工巷道掘進至470m處位于巷道北側25m處揭露一條F3逆斷層，斷層落差為2.8m，傾角為42°，斷層走向與巷道走向一致。受斷層應力影響，施工巷道掘進至475m處進入應力破碎區，預計長度為31m。

施工巷道在470～483m掘進階段，由于頂板壓力大，頂煤承載能力低，出現嚴重破碎現象，原頂板支護失效現象嚴重。為了加強頂板穩定性，決定對頂板架設鋼棚及施工加長錨索進行加強支護。但是由于鋼棚屬于被動支護，頂壓加大時鋼棚變形嚴重，同時受支護鉆孔施工擾動破壞影響，在施工加長錨索時，進一步破壞了頂板整體性，造成頂板破碎范圍擴大，未起到預期加強支護作用。

2 巷道斷面及工藝優化

（1）為了提高頂板煤承載能力，降低垂直應力對頂板破壞作用，通過研究決定，對N1206回風順槽應力破碎區域巷道斷面進行優化。決定將應力區巷道設計為半圓拱形斷面，巷道斷面規格為寬×高=4.5×3.8m，其中上部拱形斷面高度為2.25m，下部矩形斷面高度為1.55m。半圓拱形斷面松動爆破與機械聯合掘進施工工藝。

（2）首先施工巷道半圓拱形斷面的松動爆破鉆孔，共計布置三排扇形松動爆破孔，每排布置10個爆破孔，孔排距為1.0m，炮孔深度為1.2m，炮孔垂直煤壁布置。

（3）為了保證拱形斷面施工質量，爆破施工前在拱形外圍施工一排扇形超前撞楔錨桿支護。共計施工15根，每排超前支護深度為1.2m，相鄰兩排超前支護交錯布置。

（4）超前支護及松動爆破鉆孔施工完后，對下部矩形斷面采用掘進機掘進，單茬掘進深度為1.2m。

（5）下部斷面機械掘進后，對上部拱形斷面松動炮孔依次填裝礦用乳化炸藥及毫秒延期電雷管。每孔裝藥量不得大于300g，每孔封孔長度不得低于0.5m，爆破腳線采用串聯連接方式，每次允許爆破炮孔數量不得超過5個。全斷面掘進完成后及時清理工作面浮煤，并補打頂板永久支護。

（6）巷道在爆破施工前必須在所有可能進入爆破地點入口攔人設警戒，警戒距離不得低于120m。爆破施工時嚴格執行“一炮三檢、三人連鎖”放炮制度。

3 支護設計優化

為了提高應力區破碎頂板支護強度，減小鉆孔施工擾動破壞影響，降低支護成本費用，決定對應力區巷道頂板采取錨棚聯合支護技術。

3.1 施工工藝

（1）錨棚支護主要由U29型鋼棚、錨索、連接桿、護板等部分組成。U29型鋼棚主要由棚腿、頂梁、卡纜、連接桿等部分組成，頂梁共計焊制5個圓孔，孔徑為40mm。

（2）巷道施工完后，在巷道兩幫處安裝U29型鋼棚棚腿，棚腿長度為1.55m，棚腿安裝后采用固定錨桿將棚腿與巷幫進行固定，如圖1所示。

（3）兩根棚腿安裝后，將頂梁兩端插入棚腿內，疊加長度不得低于0.2m，然后采用卡纜進行固定并進行預緊，預緊力不得低于200N·m。頂梁安裝時保證頂梁面與巷道拱形面接觸嚴實。

（4）一架拱形鋼棚安裝后，采用MT-30型風動鉆機配套六棱中空鉆桿，以及直徑為30mm“八”字型鉆頭進行頂板鉆孔施工，鉆孔深度為8.0m，共計5個，鉆孔與鋼棚頂梁圓孔對應布置。

（5）頂板鉆孔施工完后，在鉆孔內依次填裝錨固劑及長度為8.0m高強度預應力錨索，錨索外露長度為0.3m，外露端采用一根長度為0.25m工字鋼梁及鎖具將鋼棚頂梁與頂板進行預緊，預緊力不得低于180kN。

（6）第一架錨棚支護施工完后，以相同工序施工第二架錨棚支護，棚間距為1.0m。相鄰兩架錨棚頂梁之間采用15根長度為1.0m、直徑為22mm螺紋鋼拉桿進行連接，螺紋拉桿與頂板預留間隙為0.15m，在欄桿與頂板之間安裝長度為1.0m、寬度為0.2m鋼筋水泥背板，使巷道頂板形成砌碹結構。

圖1 N1206回風順槽應力區破碎頂板錨棚支護示意圖

3.2 錨棚支護技術優缺點

（1）降低支護成本。應力區破碎頂板傳統支護設計中每米需施工5根單錨桿、一根M型鋼帶、一根錨索，在后期還需安裝一架鋼棚進行加強支護，支護成本費用2147元/m。采用錨棚支護技術后，巷道每米需施工5根單錨索以及一架U29型鋼棚，支護成本費用為1050元/m，大大降低了巷道支護成本費用，而且與傳統支護工藝相比，錨棚支護工藝簡單，縮短了巷道支護時間。

（2）支護效果好。錨棚支護技術將鋼棚與單錨索相結合對頂板進行聯合支護，彌補了單一主動支護或被動支護的不足。通過主動與被動相結合的方式對頂板進行支護，改變了頂板力學性質，減小了頂板應力破壞作用，增加了頂板穩定性。

（3）應用領域廣。錨棚支護不僅可用于掘進巷道破碎頂板中，而且還可用于其他工作面破碎頂板中，如大斷面硐室、大斷面切巷以及回采面端面破碎頂板中，同時在其他領域中也可進行應用，如隧道、石油、橋梁等，應用區域及前景廣。

（4）存在的不足：①對鋼棚架設技術要求相對嚴格，鋼棚架設質量直接影響錨棚支護質量；②錨棚支護時勞動強度大，一架錨棚支護需4人配合施工；③錨棚支護施工完后10d內，需安排專人對錨棚進行觀察，出現錨棚失效時必須及時更換。

4 結束語

對N1206回風順槽應力區巷道斷面進行優化，提出了錨棚支護技術。實際應用效果表明，半圓拱形斷面降低了垂直應力對頂板破壞力度，提高了頂板支護效果，可節約成本費用達3.2萬元。N1206回風順槽過應力破碎區掘進速度由原來的2.4m/d提高至6.7m/d。在錨棚支護施工完后7d范圍內，頂板出現局部下沉現象，最大下沉量僅為0.12m，錨棚支護未出現失效現象，取得了顯著成效。