綜采工作面末采大斷面端頭頂板吊梁支護技術

趙文輝，張 磊

(西山煤電集團公司 官地礦， 山西 太原 030022)

綜采工作面末采期間大斷面巷道頂板因跨度大、采動等因素影響，極易出現離層、局部跨落，變形量大，往往需要重復拉底挑頂施工才能滿足出架要求。該斷面傳統支護方式為打木棚，支護形式屬被動支護，抵抗地壓能力低，支護效果差，且在施工過程中工藝繁瑣，安全隱患多，并且由于需要打設棚腿，減少了巷道斷面寬度，影響末采期間的作業安全與作業速度[1-3].

目前，西山煤電集團官地礦綜采工作面兩巷掘進凈寬均已達到4.2 m，凈高達到了3.5 m，根據綜采工作面末采要求，為方便出架拆面，需在出架通道兩端頭處進行抹角施工，抹角尺寸達到了2 m×2 m以上，此處端頭巷道最大斷面積達到了21.7 m2(6.2 m×3.5 m).針對該礦大斷面端頭頂板支護進行研究，在分析端頭圍巖受力狀態理論基礎上，提出大斷面端頭頂板吊梁支護技術。

1 綜采工作面末采大斷面支護技術

1.1 圍巖支護理論分析

巷道開挖以后，圍巖體應力狀態由三維轉向二維受力，引起開挖空間周邊應力的重新分布，直至達到新的三向應力平衡狀態為止，從而造成局部應力集中及四周煤巖的松動擴容變形，擴容變形主要發生在巷道周邊淺部圍巖，如果淺部圍巖得不到及時有效的支護，這種擴容變形將很快演變為圍巖的破裂和垮冒。因此，是否及時有效控制淺部煤巖變形對巷道成功支護起決定性作用[4].

通過提高圍巖的初始及時支護強度可有效控制這種松動擴容變形，同時可有效提供巷道圍巖體強度及其完整性。典型的支護阻力與圍巖變形關系曲線見圖1中曲線1. 巷道圍巖變形量隨著支護阻力減小而增大，如果支護載荷小于一定的極限值，巷道大變形就無法得到有效控制。因此，為有效控制巷道圍巖的變形，必須在巷道開挖初期給圍巖體施加有效限制其變形破壞的極限支護載荷[5].

目前，井工礦支護頂板的主要技術為架棚被動支護、錨桿索主動支護等，其中架棚被動支護和無預緊力錨桿索支護特性曲線見圖1曲線2、3. 從曲線可以看出，被動架棚支護由于無法提供主動支護力，且允許圍巖擴容變形較大，當“支護—圍巖”狀態穩定時，其提供的支護阻力較大，且圍巖收斂量也較大。而采用無預緊力錨桿索支護時，雖然呈現出一定的支護阻力，但由于無預緊力，導致圍巖最終變形量也較大。高預緊力錨桿索控制技術原理見圖1的曲線4，表現出強初撐(第Ⅰ階段)、急增阻(第Ⅱ階段)和高工作阻力狀態(第Ⅲ階段)的特性，圍巖的變形量(Δs)控制在較小的范圍內，支護效果最好。

圖1 支護阻力與圍巖變形關系圖

1.2 大斷面端頭巷道吊梁控制技術

根據圍巖受力狀態分析，提出使用吊梁方式對端頭大斷面進行支護，其原理為利用錨索的主動支護技術，將鐵梁懸吊在頂板上并對頂板起主動支護作用，既起到了抬棚的作用，又有了主動支護的特性。每組吊梁由4根錨索、2根短梁及1根長梁組成，安裝時，首先在巷道頂板兩端各利用2根錨索將1根短梁吊至距頂板150～200 mm處，然后將長梁置于2根短梁上，最后將4根錨索依次鎖緊，并達到預緊力要求。

1) 該支護方式變傳統的被動支護為主動支護，及時改變圍巖應力狀態，優化了圍巖支護條件，有效控制了圍巖變形，保證了安全生產。2) 由于使用吊梁支護，斷面內不存在支護點柱，給后續拆面工程帶來便利，同時，較傳統支護方式節省了支護材料，且實現了支護材料的可回收利用，控制了工程成本。

1.3 數值模擬分析主被動支護大斷面控制效果

通過FLAC3D數值模擬計算軟件對受采動影響大斷面端頭主被動支護進行比較，基于該工作面煤層地質條件建立模型，見圖2. 模型采用Hoek-Brown屈服準則，巷道斷面為矩形，布置在煤層中央，巷道寬6.2 m，高3.5 m，模型尺寸為長50 m×寬15 m×高60 m，巷道埋深300 m，模型固定除上表面的所有自由面，初始應力垂直方向按覆巖自重生成，側壓系數取1.

圖2 數值模擬力學模型圖

為研究不同支護條件下圍巖應力分布狀態與塑性區范圍，建立吊梁支護與錨桿支護模型，吊梁支護模型參數：長8.0 m，d22 mm，錨固長度5 m，預緊力250 kN，間排距為2 000 mm×1 000 mm；錨桿支護模型參數：長2.4 m錨桿支護，d24 mm，錨固長度1.4 m，外露長度100 mm，預緊力為60 kN，間排距為750 mm×1 000 mm. 模擬結果見圖3，4.

圖3 不同支護方式水平應力與垂直應力分布圖

圖4 不同支護方式巷道變形塑性區圖

由圖3可知，使用吊梁支護的頂板，其水平應力與垂直應力曲線均有所變化，具體表現為其峰值位置均向頂板自由面移動，且峰值應力降低，表明采用吊梁支護可以有效優化巷道淺部圍巖應力環境。由圖4可以看出，使用吊梁支護較錨桿支護塑性破壞區面積減少了43個單元格，表明吊梁支護可有效控制巷道破壞區。

2 工程實踐

官地礦33415綜采工作面正、副巷及切眼均采用矩形斷面，其中巷道斷面4.2 m×3.5 m，末采布置圖見圖5，需在機尾三角煤處做2 m×2 m的45°抹角，施工工藝如下：

圖5 工作面末采擴循環吊梁支護布置圖

1) 采用人工打眼放炮方式進行，炮眼在工作面煤幫布置，垂直煤壁打眼，眼深2 m，炮后要及時加打戴帽點柱做臨時支護，柱距0.8 m.

2) 從機尾抹角處至落山側垂直于工作面架設3架5 m工字鋼梁，在1#外側護板處架設兩架2.5 m工字鋼梁，在機尾抹角處架設兩架6 m工字鋼梁，均平行于工作面布置，兩根抬棚并緊，并將兩架6 m工字鋼梁挑緊。

3) 從抹角處按棚距1.0 m向外架設一架5 m工字鋼梁，最后在抹角處加打錨索支護，間距1.5 m.

拆架期間，在機尾抹角處布置了兩個表面收斂的測站，監測20天巷道的收斂變形情況，見圖6.

圖6 兩幫移近量隨時間變化圖

從圖6可以看出，兩幫移近量基本穩定在90 mm左右，頂底板移近量穩定在110 mm左右，圍巖變形量得到了有效控制，為后期拆架提供了安全保障，后期巷道無需返修，節省大量人力物力。同時，與相同作業條件工程相比，該工作面末采耗時較同類工作面減少了2個圓班，節省了工期。

3 結 論

1) 分析了傳統綜采工作面末采階段兩端頭支護存在的問題，提出大斷面端頭巷道吊梁控制技術，變被動支護為主動支護，保障了端頭圍巖的穩定性。

2) 采用FLAC3D數值模擬軟件對端頭大斷面巷道主被動支護進行模擬分析，表明采用吊梁支護方式較傳統被動支護在應力及變形量控制上均有大幅改善。

3) 大斷面端頭巷道吊梁控制工藝優化了綜采工作面末采流程，提高了末采工程速度，減少了兩端頭維護拉底費用，提高了綜采工作面末采階段的安全性。