梯形錨棚支護(hù)在應(yīng)力區(qū)巷道中應(yīng)用分析

朱曉寧

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

受構(gòu)造應(yīng)力、采掘應(yīng)力等影響，巷道在掘進(jìn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)破碎、下沉，甚至發(fā)生頂板垮落事故。我國多數(shù)煤礦對應(yīng)力破壞區(qū)頂板采取錨桿、錨索或架設(shè)鋼棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，但是傳統(tǒng)錨桿（索）、鋼棚支護(hù)方式相對單一，在應(yīng)力區(qū)頂板中支護(hù)效果差，無法實現(xiàn)主動與被動支護(hù)相結(jié)合支護(hù)作用，導(dǎo)致加強(qiáng)支護(hù)后，支護(hù)失效嚴(yán)重，無法滿足應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)要求。對此，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)支護(hù)不足，本文對2102巷應(yīng)力區(qū)頂板提出了梯形錨棚支護(hù)。

1 概述

大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司2102巷位于井田北盤區(qū)，巷道設(shè)計長度為1073 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.0 m×3.6 m，該巷道主要服務(wù)于8102工作面，擔(dān)負(fù)著工作面煤炭運輸任務(wù)。

2102巷掘進(jìn)煤層為石炭系3#～5#煤層，煤層平均厚度為27.73 m，煤層直接頂主要以煤、泥巖混合巖層為主，平均厚度為2.2 m，基本頂主要以細(xì)砂巖為主，平均厚度為11.2 m；巷道掘進(jìn)期間圍巖主要采用錨桿、錨索進(jìn)行控制，頂板每排布置5根長度為2.0 m左旋無蹤跡螺紋鋼錨桿，錨桿間距為1.1 m，排距為1.0 m，頂板錨索采用長度為5.0 m，直徑為17.8 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置3根，間距為1.8 m，排距為3.0 m。

由于2102巷掘進(jìn)煤層不穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層頂板穩(wěn)定性差，易破碎，巷道掘進(jìn)過程中共揭露12條斷層，受斷層應(yīng)力影響，巷道掘進(jìn)時圍巖穩(wěn)定性相對較差，主要表現(xiàn)在頂板下沉、離層現(xiàn)象嚴(yán)重。2102巷在前期500 m掘進(jìn)期間，共揭露4條斷層，巷道頂板破碎現(xiàn)象比較嚴(yán)重，頂板最大下沉量達(dá)0.45 m，巷幫移近量達(dá)0.56 m，不僅影響工程施工質(zhì)量，而且不利于施工安全。

2 梯形錨棚支護(hù)工藝

2.1 支護(hù)原理

梯形錨棚支護(hù)主要利用梯形鋼棚對巷道不穩(wěn)定頂板進(jìn)行支撐，減小兩幫煤柱支撐應(yīng)力以及提高頂板中部承載能力，同時采用預(yù)應(yīng)力恒阻錨索將棚梁與頂板預(yù)緊，實現(xiàn)主動與被動支護(hù)相結(jié)合的方式對頂板進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

2.2 梯形錨棚結(jié)構(gòu)、規(guī)格

（1）2102巷采用的梯形錨棚主要由聯(lián)鎖底座、梯形棚腿、頂梁、卡纜、恒阻錨索以及承載梁等部分組成，見圖1。

圖1 2102巷梯形錨棚支護(hù)斷面

（2）聯(lián)鎖底座由鋼板焊制而成，規(guī)格為長×寬×厚=1.8 m×0.3 m×0.01 m，在底座兩端0.1 m處焊制兩個直徑為20 mm圓孔，孔間距為0.2 m，主要用于相鄰兩塊底座搭接固定；在距底座兩端0.15 m處，焊制4個直徑為25 mm圓孔，主要用于棚腿搭接固定，見圖1。

（3）梯形棚腿長度為3.6 m，在棚腿兩端各焊制一個規(guī)格為長×寬×厚=0.3 m×0.3 m×0.01 m鋼板，在鋼板上焊制4個圓孔與底座4個圓孔規(guī)格相同。

（4）頂梁長度為4.8 m，在距頂梁端頭1.0 m處各焊制一塊規(guī)格為長×寬×厚=0.3 m×0.3 m×0.01 m鋼板，鋼板上焊制4個圓孔且與棚腿兩端鋼板圓孔規(guī)格相同；同時在頂梁均勻焊制3個圓孔，孔徑為30 mm，孔間距為2.0 m。

（5）恒阻錨索長度為8.0 m，直徑為21.6 mm，承載梁長度為1.5 m，寬度為0.2 m，共計3根。

2.3 施工工藝

（1）梯形錨棚安裝前首先在兩幫底板處進(jìn)行起底、澆筑施工，起底深度為0.2 m，寬度為0.3 m，長度為1.8 m，起底后采用混凝土澆筑，澆筑面與設(shè)計底板面平整。

（2）起底澆筑后將底座安裝在澆筑面上，底座安裝后將梯形棚腿與底座對接安裝，并采用4根長度為1.0 m地錨進(jìn)行固定。2根棚腿安裝后，將頂梁與棚腿采用4根螺母進(jìn)行連接。

（3）1組梯形棚共計2架，間距為1.5 m，同一組梯形棚安裝后在2根頂梁與頂板之間安裝3根承載梁，梁間距為1.5 m。

（4）承載梁安裝后采用MT-30錨索機(jī)在2根頂梁頂板處施工3個錨索鉆孔，孔間距為2.0 m，直徑為30 mm，并安裝3根恒阻錨索將頂梁與頂板進(jìn)行固定預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于170 kN。

3 梯形錨棚支護(hù)優(yōu)點及實際應(yīng)用效果分析

3.1 梯形錨棚支護(hù)優(yōu)點

（1）降低了支護(hù)成本費用：與傳統(tǒng)“注漿+架設(shè)鋼棚”聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)相比，梯形錨棚支護(hù)施工工藝相對簡單，縮短了支護(hù)施工，降低了勞動強(qiáng)度，而且梯形錨索棚成本費用較低，實用性強(qiáng)。

（2）縮短了支護(hù)周期：與傳統(tǒng)單錨桿（索）、鋼棚支護(hù)工藝相比，梯形錨棚支護(hù)時鋼棚與錨索支護(hù)可協(xié)同作業(yè)，縮短了頂板支護(hù)時間，降低了應(yīng)力區(qū)巷道圍巖塑性變形量，對不穩(wěn)定頂板起到及時有效支護(hù)作用。

（3）支護(hù)效果好：梯形錨棚支護(hù)可用于不同地質(zhì)條件下的應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)工作面，在支護(hù)過程中可通過調(diào)節(jié)梯形棚腿角度，保證梯形棚支撐作用力，從而滿足不同應(yīng)力的圍巖支護(hù)要求，適用性強(qiáng)，支護(hù)強(qiáng)度高。

3.2 實際應(yīng)用效果分析

2102巷掘進(jìn)至500 m處時開始架設(shè)梯形錨索棚，在巷道應(yīng)力破壞區(qū)域內(nèi)每隔2.0 m架設(shè)1組，截止2018年9月17日，2102巷掘進(jìn)完成共計架設(shè)21組梯形錨索棚，通過對梯形錨索棚應(yīng)用效果觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨索棚架設(shè)完5 d內(nèi)受圍巖塑性變形影響頂板下沉量相對較大，與前期巷道變形量相比，最大下沉量由原來的0.45 m，減小為0.17 m，在5 d后錨索棚支撐作用力逐漸升高，頂板下沉量降低，當(dāng)架棚后10～12 d內(nèi)錨索棚支撐作用力與頂板應(yīng)力趨于平衡，頂板下沉量趨于0，控制了頂板進(jìn)行一步下沉現(xiàn)象。

4 結(jié)語

1）梯形錨棚采用梯形棚腿支撐方式，對頂板支撐作用強(qiáng)度大，承載能力強(qiáng)，可適用于沖擊應(yīng)力大區(qū)域，通過調(diào)整棚腿支撐角實現(xiàn)對頂板不同應(yīng)力大小進(jìn)行支撐，避免了鋼棚變形現(xiàn)象，降低了鋼棚維修費用；同時在相鄰兩架梯形棚之間安裝承載梁，有效防止了傳統(tǒng)鋼棚支護(hù)對頂板產(chǎn)生的切頂破壞作用。

2）梯形錨棚支護(hù)實現(xiàn)了對不穩(wěn)定頂板主動與被動支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方式，解決了傳統(tǒng)被動支護(hù)時變形嚴(yán)重、支護(hù)不及時等技術(shù)難題，同時有效防止了傳統(tǒng)單一錨桿支護(hù)時，因頂板破碎錨固失效現(xiàn)象嚴(yán)重，支護(hù)效果差，導(dǎo)致頂板垮落等事故，提高了不穩(wěn)定頂板支護(hù)效果。

3）梯形錨棚支護(hù)具有一定的讓壓性能，保證了支護(hù)體變形和圍巖變形相適應(yīng)，充分發(fā)揮支護(hù)體的支護(hù)作用和巷道圍巖的自承載能力，實現(xiàn)了支護(hù)體與圍巖耦合作用。