JW型錨索吊棚在巷道破碎頂板中的應用

徐江山

巷道在掘進過程中圍巖主要通過合理有效的支護進行維護，從而達到控制圍巖穩定性，防止圍巖破碎、冒落的目的；在實際巷道掘進過程中，若巷道圍巖（特別是巷道頂板）出現破碎現象時，必須根據圍巖巖性、巖體內產生松動圈范圍以及巖體破碎程度合理選擇支護設計［1］，只有這樣才能有效控制圍巖破碎現象。本文以小西煤礦3107 運輸順槽掘進為例，對巷道掘進過程中破碎頂板采取傳統支護設計主要存在的問題進行分析，通過理論分析，提出了JW型錨索梁支護，通過實踐應用驗證了該支護設計可靠性。

1 概述

山西陽城陽泰集團小西煤業有限公司3107 運輸順槽位于井田一盤區西部，巷道東西走向布置，東部為一盤區主巷道，南部為3105 采空區（已密閉），西部為3#煤采掘區域，北部為3109 工作面（設計規劃階段）。

3107 運輸順槽設計長度為960 m，巷道采用矩形斷面布置方式，斷面規格為寬×高=4.5 m×4.0 m。巷道沿3#煤層頂底板平行掘進，3#煤層屬石炭系煤層，煤層整體坡度變化不大，平均為3°，成東高西底走向趨勢； 根據煤層柱狀圖發現，3#煤層內共計有3 層夾矸，總厚度為1.2 m，主要為砂質泥巖；煤層直接頂主要以炭質泥巖、砂質泥巖為主，平均厚度為3.7 m，巖體成鱗狀互層結構；基本頂主要為粗砂巖，厚度為11.5 m。

根據小西煤礦物探及三維地震成像顯示，3107巷掘進至290 m處位于北側（3109 回采區域）32 m處含有一條X1 陷落柱。陷落柱成橢圓狀，陷落柱長軸長為45 m，短軸長為23 m，長軸與3107 巷平行布置，該陷落柱對巷道掘進影響較大，預計影響長度為50 m。

2 巷道掘進現狀及原支護分析

2.1 巷道掘進現狀

3107 巷采用機械化掘進工藝，截止目前巷道已掘進310 m。巷道掘進至287 m處時位于陷落柱側巷幫相對破碎，巷幫支護失效嚴重，并伴隨著頂板局部破碎現象；當巷道掘進至294 m處時，受陷落柱構造應力、3105 采空區應力集中影響，巷道兩幫收斂量逐漸增大，頂板出現大面積破碎現象，頂板支護困難；當巷道掘進至310 m處時距陷落柱側巷幫1.2 m處出現漏頂，漏頂高度為2.5 m，寬度為1.6 m，原頂板支護對巷道維護效果差。

2.2 巷道原支護設計

3107 運輸順槽掘進至290 m處，小西煤礦對巷道支護進行優化，優化后頂板采用錨索配合M 型鋼帶支護方式，每排布置5 根錨索，錨索長度為5.0 m，鋼帶寬度為0.15 m，長度為3.8 m； 當巷道掘進至300 m處開始對頂板施工11#工字鋼錨索吊棚進行加強支護，吊棚布置間距為2.0 m，吊棚長度為3.5 m，每架吊棚采用兩根錨索起吊預緊。

2.3 原支護問題分析

（1）支護斷面?。哄^索梁支護主要作用是對破碎圍巖表面進行保護并具有一定的抗壓載荷能力，所有錨索梁承載件必須具有一定寬度達到支護頂板的要求，同時承載件必須具有足夠的抗變形強度以支護無效主動支護空間的破碎巖體，見圖1；但是原支護設計中M型鋼帶寬度小且剛度低，支護斷面小；工字鋼棚雖然支護強度相對較高，但是由于工字鋼梁腰部鋼板厚度小，在強應力作用下腰部鋼板很容易出現“擊穿、斷裂、扭曲”現象［2］。

圖1 錨索梁（帶）支護作用原理

（2）對頂板產生二次破壞作用：原支護設計中頂板采用工字鋼進行加強支護，受工字鋼梁結構影響，工字鋼錨索吊棚屬于線性主動支護，該支護在砂質穩定巖體中應用效果好，但是對于3107 運輸順槽應力沖擊區不穩定巖體，該支護起不到預期支護效果［3］，且鋼梁兩側線型邊對頂板產生切頂破壞作用，對頂板產生二次破壞，加劇頂板破碎程度。

（3）支護強度大、成本費用高：工字鋼錨索吊棚每米重量達25 kg，每架工字鋼錨索吊棚重量達100 kg，每架吊棚成本費用為870 元；施工一架所需工時為1.6 h，并需5 人配合施工，不僅勞動強度大、支護作業時間長［4］，增加支護成本及勞動成本費用。

3 JW 型錨索梁應用分析

為了解決傳統11#工字鋼錨索吊棚在破碎頂板支護中出現的技術難題，小西煤礦通過技術分析，決定對3107 運輸順槽破碎頂板采用JW型錨索梁支護。

3.1 施工工藝

（1）3107 運輸順槽破碎頂板采用JW型錨索梁主要由高錳鋼通過模具一次性澆筑而成，鋼梁厚度為50 mm，鋼梁中部成W型，兩側成J型，鋼梁寬度為0.35 m，長度為3.8 m，見圖2，鋼梁屈服強度為580 MPa，最大承載能力為720 kN。

（2）JW型錨索梁上焊制4 個長為0.1 m，寬為0.05 m長方形支護孔，孔間距為1.2 m，每架JW型錨索梁配套4 根長度為7.0 m，直徑為21.8 mm高強度預應錨索，錨索抗拉強度為860 MPa，延展率為32%, 每根錨索采用兩支超快速，一支快速樹脂錨固，錨固力為370 kN。

（3）為了避免破碎頂板支護密集出現頂板擾動破壞作用，決定在3107 運輸順槽破碎頂板施工JW型錨索梁代替錨桿、單錨索以及工字鋼吊棚，施工排距為1.5 m，巷道破碎頂板處共計施工35 架JW型錨索梁。

圖2 JW 型錨索梁支護剖面

3.2 支護優點

（1）支護成本費用低：3107 運輸順槽原支護設計中破碎頂板需施工25 架工字鋼棚，50 架鋼帶以及250 根頂板錨桿，共需支護成本費用為7.42 萬元；采用JW錨索梁后支護成本費用為2.63 萬元，支護成本降低了4.79 萬元。

（2）縮短支護作業時間：傳統支護設計巷道每掘進1.0 m支護作業時間為1.7h，而采用JW錨索梁后每掘進1.5 m支護作業時間為0.8 h，百米巷道掘進支護作業時間可縮短116.7 h，大大提高了巷道掘進效率；同時JW錨索梁支護時僅需3 人配合施工即可，降低了支護勞動作業強度［5］。

（3）提高了支護效果：與傳統M型鋼帶相比，JW錨索梁支護斷面達0.14 m2，支護斷面大，而且支護強度高，錨索梁能夠對無效主動支護空間的破碎巖體進行充分支護作用； 與11#工字鋼梁相比，JW 錨索梁結構穩定，變形機率小，有效解決了工字梁在支護時鋼梁腰部出現斷裂以及鋼梁對頂板切頂破壞作用等技術難題。

4 結語

小西煤礦為了解決3107 運輸順槽破碎頂板原支護設計主要存在的問題，對原支護設計進行優化。采用了JW型錨索梁支護，采用該支護后通過20 d現場觀察發現，在0～8 d范圍內由于頂板破碎體在應力作用下出現局部蠕動變形以及產生塑性變形位移，頂板下沉量在90～320 mm范圍內；在9～15 d范圍內頂板應力釋放，且錨索梁支護起到預應支護效果，頂板下沉量降低，最大下沉量為110 mm；在15～20 d范圍內JW型錨索梁完全對頂板應力起到控制作用，頂板下沉量趨于零；同時采用JW型錨索梁后提高了頂板整體穩定性，降低了頂板應力向兩幫傳遞作用，兩幫收斂量控制在150 mm以下，大大提高了矩形斷面巷道成型率，取得了顯著應用成效。