巷道破碎頂板支護問題分析及優化改進

郭劍如

（山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048000）

長平煤礦43221巷設計長度為1 400 m，巷道斷面規格為寬×高=5.0 m×3.6 m，掘進煤層為3號層，施工巷道沿3號煤層頂板掘進，煤層直接頂主要以砂質泥巖、細砂巖為主，平均厚度為4.7 m，基本頂主要以砂巖為主，平均厚度為11.4 m，截至目前巷道已掘進510 m。

43221巷掘進至502 m時，位于巷道北側45 m處存在一條X7陷落柱，陷落柱成橢圓狀，長軸長為54 m，短軸長為23 m，長軸與43221巷成31°夾角，陷落柱與巷道最短距離為15.4 m。當巷道掘進至507 m時受陷落柱構造應力影響，巷道頂板出現破碎現象，且隨著巷道不斷延伸，巷道與陷落柱距離縮小，巷道受應力影響逐漸加大，當巷道掘進至510 m處時頂板出現大面積破碎現象，甚至出現離層，導致巷道原支護失效率高，原支護已不能滿足巷道地安全高效掘進。對此，長平煤礦生產管理部通過技術研究，分析了原頂板支護主要存在的問題，并對其進行合理優化。

1 原頂板支護設計及問題分析

1.1 43221巷原頂板支護設計

43221巷原頂板支護主要是采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬網聯合支護設計。

1）頂板支護的錨桿采用規格是直徑、長度分別為22 mm、2.4 m的高強度螺紋鋼錨桿，頂板每排5根，相鄰兩根錨桿的距離為1.1 m，相鄰兩排錨桿的距離為1.0 m。

2）支護使用的鋼帶為“W”型鋼帶，鋼帶長、寬分別為4.8 m、0.25 m，將五根錨桿安裝在一根鋼帶上并進行錨固，相鄰兩根鋼帶的距離為1.0 m。

3）預應力鋼絞線的規格為直徑、長度分別為17.8mm、5.0 m，每排布置3根，相鄰兩根錨索的距離為2.0 m，相鄰兩排錨索的距離為3.0 m，并采用邊長為0.3 m的鋼方墊及鎖具對錨索的外露端進行緊固。

1.2 原支護主要存在問題

1）隨著巷道地不斷掘進延伸，與X7陷落柱距離逐漸縮小，導致巷道所受構造應力逐漸加大，并在巷道頂板形成應力集中區。通過對應力區頂板破碎及片幫情況分析，陷落柱殘余應力主要集中在頂板中部位置，導致頂板中部出現比較明顯的下沉及破碎現象，而且破碎區域向煤層深處不斷延伸，破碎范圍已經擴大到頂板往上2.6 m的位置，而之前支護材料使用的錨桿長度僅為2.4 m，錨桿的錨固段位于破碎區內，導致錨桿失效現象嚴重。

2）掘進工作面在推進時，受陷落柱構造應力作用，巷道應力區內圍巖的膠結性下降，頂板會出現破碎及下沉的情況。若僅僅采用鋼帶已經無法對破碎頂板進行有效地支護，且隨著工作面的繼續推進，頂板壓力會越來越大，鋼帶的變形也會更加嚴重。

3）巷道應力區段內，原支護的錨索錨固端位于直接頂與基本頂間，由于直接頂與基本頂已經離層，錨索也已經失去了錨固效果，且由于原設計的錨索直徑較小，屈服強度較低，這樣會導致錨索因拉力過大而發生斷裂。

2 43221巷頂板支護優化改進

2.1 原頂板永久支護優化設計

1）為了確保優化后的支護能夠對巷道破碎頂板起到永久支護，將原頂板錨索更換為直徑、長度分別為21.6 mm、8.3 m的恒組錨索，并要求作業人員通過縮減錨固距離來提高錨固質量，將相鄰兩排錨索的距離由原來的3.0 m縮減為2.0 m。

2）將原錨桿更換為規格是直徑、長度分別為22 mm、3.2 m的加長螺紋鋼錨桿，并為每根錨桿配套三支快速錨固劑，錨桿間排距不變。

2.2 桁架錨桿支護

1）43221巷頂板應力集中區的頂板桁架錨桿主要由以下部件組成：傾角錨桿（2根）、拉桿（2根）、拉緊器（1個）及鋼墊片。

2）當工作面推進至應力集中區，且巷道破碎區域的永久支護安裝完畢后，在相鄰兩排鋼帶中間位置且距巷幫1.0 m處各鉆一個與巷道頂板呈60°角的錨桿鉆孔，并在鉆孔內注入一根長3.0 m的桁架錨桿。

3）錨桿安裝完畢要及時進行錨固，并對錨固后的錨桿做拉拔試驗，確保錨固質量能夠達到標準要求，之后在錨固端安裝一根拉桿，并用拉緊器將兩根傾角錨桿連接預緊。

4）桁架錨桿預緊后產生的合力能夠有效抵消破碎頂板的垂直應力，從而達到削弱集中應力對頂板的破壞作用，桁架錨桿支護原理如圖1所示。

圖1 桁架錨桿支護原理示意圖

2.3 π型鋼棚支護

為了確保破碎頂板的支護強度，施工人員應在永久支護的基礎上架設π型鋼棚來提高支護穩定性。

1）由于矩形鋼棚頂梁承載能力差，不能對頂板進行有效支護，因此技術人員決定改用π型鋼棚。π型鋼棚主要由以下部件組成：棚腿（4節）、π型頂梁（1節）、卡纜。棚腿下端還需配套一塊長寬分別為0.3 m的底座。

2）為了能夠確保棚腿的穩定性，需對鋼棚底板處進行起底澆筑施工，起底深度為0.2 m，底座安裝在起底處并進行澆筑，澆筑后保證底座平整。

3）完成以上工序后，將π型頂梁安放在棚腿上，并用卡纜將棚腿與頂梁緊固，頂梁與頂板需留有一定的間隙，相鄰兩架鋼棚的距離為2.0 m。

4）連續安裝完三架鋼棚后，在鋼棚的頂部繼續安裝橫梁，橫梁的安裝角度需與π型頂梁保持垂直，每五根橫梁為一組安裝在鋼棚上方，相鄰橫梁的距離為1.0 m。

5）完成橫梁的安裝后，需在橫梁與底板的間隙中填加長為4.8 m、寬為0.5 m的水泥背板，水泥背板與π型頂梁平行放置，通過調節π型頂梁來確保頂板與背板接觸嚴密，最后在相鄰兩架鋼棚之間通過兩組拉桿連接，以增加鋼棚之間相互的穩定性。π型鋼棚支護示意圖如圖2所示。

圖2 43211巷應力區頂板“π”型鋼棚支護斷面示意圖（未標單位：mm）

3 結語

截至2019年6月24日43221巷已完全過X7陷落柱應力影響區。對應力區巷道頂板采取聯合支護技術后，通過30 d的現場觀察以及安裝頂板離層儀數據記錄發現：在0~15 d范圍內由于支護與頂板未達到完全耦合作用，頂板塑性變形相對嚴重，頂板下沉量為0.14 m；在15~25 d范圍內頂板耦合支護作用很好地控制了頂板下沉、變形現象，頂板下沉量逐漸減小；在25 d以后頂板區域穩定。因此，采用“桁架錨索支護+π型鋼棚”聯合支護技術使得陷落柱應力區頂板的穩定性大大提高，應用效果明顯。