U型鋼棚配合錨索支護技術在軟巖回采巷道中的應用

黃夢飛

（河南永華能源有限公司嵩山煤礦 河南 洛陽 471924）

0 引言

軟巖（煤）巷道由于巖（煤）體較軟，圍巖易松動、離層、片冒，掘進過程中一般采用U型鋼或工字鋼架棚被動支護，架棚巷道受圍巖應力及采動壓力影響，極易發生變形、造成巷道失修。嵩山煤礦主采二疊系山西組二1煤層，煤層直接頂為泥巖，普氏硬度系數2～3，相對較軟，二1煤層厚度煤層結構簡單，局部含夾矸，煤層受滑動構造影響，組織疏松，強度低，普氏硬度系數小于0.3。礦井采煤工作面回采巷道以往掘進過程中主要采用U型鋼架棚支護，由于圍巖（煤）較為松軟、破碎、壓力比較大，采煤工作面回采過程中經常出現巷道失修情況，影響通風和行人，采煤工作面回采結束前，回采巷道要進行2～3輪整體擴修，巷道擴修投入較大人力、物力，嚴重影響礦井安全高效生產。

鑒于此，結合嵩山煤礦二1煤層頂板地質條件，在2112運輸順槽采用U型鋼棚配合錨索支護技術，該技術采用架棚被動支護和錨索主動支護相互耦合的方式將巷道頂、幫軟巖固定、限位，防止軟巖（煤）的離層、松動，從而降低巷道圍巖壓力，減少巷道失修變形量[1-6]。

1 工程概況

嵩山煤礦2112工作面下順槽設計長度1 150 m，埋藏深度610 m左右，掘進期間揭露煤層為二疊系山西組二1煤層，煤（巖）層為單一緩傾斜構造，近東西走向，傾向北，傾角9°～20°，平均15°。煤層厚度：1.61 m～6.77 m，平均煤厚3.78 m，煤層結構簡單，局部含夾矸,厚度在0.1 m～0.4 m之間，煤層受滑動構造影響，組織疏松，強度低，煤層以粉末狀為主，塊狀較差，普氏硬度系數小于0.3。煤層頂、底板巖性如表1所示。

表1 煤層頂底板巖性表

2 巷道支護設計

2.1 巷道斷面

巷道沿二1煤層底板掘進，梯形半圓拱斷面，采用U型鋼棚+塑料護幫網、菱形網+背板（鋼筋梯）+錨索支護，斷面規格為：凈寬（拱基線處）×凈高=4 600×3 200 mm；掘進高度為3 450 mm、掘進寬度為5 100 mm（起拱線位置）；外扎角5°，內扎角85°，柱窩深500 mm，掘進斷面為15.4 m2，凈斷面為12.8 m2。棚距為700 mm（調棚時除外）。巷道斷面圖如圖1所示。

圖1 巷道斷面圖

2.2 巷道支護

（1）鋼棚為4節結構，采用U36型鋼加工，節與節之間采用3副卡纜進行固定（搭接端部使用限位卡纜）。棚腿與頂梁搭接長度400 mm、頂梁之間搭接長度為600 mm。棚與棚之間采用3副簡易連板進行連接，連板安裝在支架搭接處中部卡纜位置（調棚時連板長度可調整）。卡纜、連板要與巷道中線方向一致，成排成線且不得影響錨索施工。卡纜螺栓扭矩300 N·m。

（2）采用塑料護幫網（9 000×800 mm，根據施工需要進行長度裁剪）、菱形網（?8 mm，5 000×800 mm、2 000×800 mm）配合鐵背板(寬50 mm、長900 mm U36型鋼加工或?12 mm鋼筋加工的鋼筋梯）背設。采用鋼筋梯背設時，全斷面沿巷道輪廓線布置4條鋼筋梯（2 400×100 mm）并用鐵絲固定在菱形網上，鋼筋梯搭接長度不小于100 mm，最后背設背板（頂板破碎時可先背設背板，鋼筋梯布置在背板外面）。塑料護幫網在內層、菱形網在外層（菱形網供應不及時，可采用鋼筋網配合塑料護幫網進行護表；菱形網及鋼筋網均供應不及時時，可采用塑編網配合塑料護幫網進行護表；當菱形網、鋼筋網及塑料護幫網均供應不及時時，采用雙層塑編網進行護表）。

（3）背板頂部間距300 mm、幫部400 mm；采用鋼筋梯作為背板時，頂、幫鋼筋梯間距400 mm。頂部和兩幫的背板應與巷道中線平行，背板兩頭要穿過鋼梁。背幫、背頂材料要緊貼圍巖，不得松動或空幫空頂；頂幫有空洞時，可用荊笆（800×400 mm）或背木填實背嚴（不得妨礙打設錨索）。

（4）鋼棚架設完成后，在后巷棚襠間打設錨索進行補強支護，全斷面布置12根錨索。錨索采用第一輪、第二輪隔棚交替施工的方式打設，頂部錨索間排距650×700 mm，幫部錨索間排距600×700 mm（詳見支護斷面圖）。局部空幫、空頂部位或背木、釬桿影響部位可根據現場調整間排距，允許±100 mm誤差（塌孔時除外）。錨索規格：頂部為?21.6×8 300 mm，幫部為?21.6×7 300 mm。每根錨索使用1支MSK2350、2支MSZ2350型錨固劑，錨索錨固力不低于200 kN，錨索外露長度150 mm～200 mm，錨索托盤采用兩種規格的托盤交替使用，即第一排托盤規格為400 mm×400 mm×20 mm、第二排托盤規格為360 mm×360 mm×10 mm（YTP高強度預應力托盤），若沒有其中一種規格的則全部采用另一種規格的托盤。使用液壓挖掘機時錨索第一輪要求滯后迎頭不超過10棚，錨索第二輪要求滯后迎頭不超過15棚；未使用液壓挖掘機時錨索第一輪要求滯后迎頭不超過7棚，錨索第二輪要求滯后迎頭不超過15棚。

（5）施工期間頂板錨索長度可根據煤厚情況進行調整。煤厚＜3.5 m時，錨索長度5 300 mm；3.5 m≤煤厚≤5.0 m時，錨索長度6 300 mm；煤厚＞5.0 m時，錨索長度8 300 mm。局部錨索塌孔，可在附近區域調整間排距進行打設。

（6）塑料護幫網搭接長度不小于100 mm，每隔200 mm用12#鐵絲交叉扎緊綁牢，菱形網搭接長度不小于100 mm，搭接處采用12#雙股鐵絲連網，連網間距100 mm，呈“三花”布置，鐵絲要求扭動不少于3圈并且扭緊扭牢。

3 掘進方式及施工工藝

3.1 掘進方式

采用風鎬配合手鎬或者使用液壓挖掘機進行掘進，后巷使用膠帶輸送機配合刮板輸送機運輸。前期掘進時采用風鎬配合手鎬進行掘進架棚，待順槽長度滿足安裝挖掘裝載機時（約7 m左右），可采用MWD2/0.12L型煤礦用液壓挖掘機配合風鎬或手鎬落煤（巖），挖掘機裝煤。若出現矸石較硬，使用風鎬或挖掘機作業困難，需采用爆破方式進行掘進時，另行編制爆破專項安全技術措施。

3.2 施工工藝

（1）架棚施工工藝

交接班→安全檢查（敲幫問頂）→打設超前骨架→延長刮板輸送機→挖掘機鏟挖上部煤（巖）體、風鎬及手鎬配合開挖→敲幫問頂→臨時支護→安設頂梁→背頂→迎面墻防護→挖掘機鏟挖下部煤（巖）體、風鎬及手鎬配合開挖→安設棚腿→背幫→清理下部煤矸并整理迎頭。

（2）注水施工工藝

安全檢查、敲幫問頂→打設注水孔→安裝封孔器→注水。利用檢修班時間打設注水孔注水（巷道遇到薄煤層、褶曲等打設注水孔位置為砂質泥巖時，不再進行注水工作）。

（3）錨索施工工藝

安全檢查、敲幫問頂→鉆孔→安裝錨索→張拉錨索→錨索頭防護。打錨索可與掘進平行作業。

4 應用效果分析

（1）巷道變形量分析

礦井原2110綜采工作面回采巷道僅采用U型鋼棚支護，采煤工作面回采期間，回采巷道頂底板移近量最大值為1 430 mm，兩幫移近量最大為1 670 mm，巷道變形嚴重，通風斷面小于設計斷面三分之二，變形嚴重的地段需要返修后方可滿足通風、行人、運輸需要。

2112工作面下順槽巷道掘進期間每50 m設置一組巷道頂底板及兩幫移近量和頂板離層觀測站，每7天觀測一次。通過實測數據顯示，回采巷道掘進結束，采煤工作面回采前，巷道頂底板移近量最大為560 mm，兩幫移近量最大為370 mm，頂板離層儀淺基點最大離層量230 mm，深基點最大離層量230 mm，由此可知，巷道采用U型鋼棚配合錨索支護技術后，巷道上部直接頂軟巖有少量松動、離層，基本頂堅硬離層無明顯離層情況，巷道兩幫移近量在設計允許范圍之內，頂底板移近量主要是巷道底鼓引起，通過巷道臥底即可保證巷道斷面，無需重新返修巷道。

（2）錨索支護滯后掘進工作面的距離不大于20 m，因此，錨索支護可與巷道掘進平行作業，不影響掘進速度。

（3）采煤工作面回采期間，受采動壓力影響，工作面推采位置向外50 m范圍內巷道變形量最大，及時臥底后，實測巷道斷面積仍大于設計斷面積的三分之二，不影響采煤工作面正常通風與行人，因此不需要擴修。

5 結論

（1）U型鋼配合錨索協同支護軟巖巷道，能夠發揮和提高U型鋼支架的整體承載能力和結構穩定性，同時U型鋼支護又為錨索支護提供可靠的護表構件，發揮和提高錨索的錨固性能，提高了巷道支護強度。

（2）實踐證明，采用U型鋼配合錨索支護相對于單獨U型鋼棚支護，巷道變形量明顯較小，最大變形后巷道斷面仍大于設計斷面的三分之二，達到一次成巷至采面回采結束無需返修的效果。

（3）采用錨索補強支護后，巷道掘進成本增加約1 100元/m，巷道返修成本減少約3 600元/m，實際減少成本2 500元/m，經濟效益顯著。

（4）U型鋼拱部受圍巖壓力最大，拱部補強支護錨索深入基本頂堅硬巖層1 m以上，可有效防止巷道深基點離層，有利于巷道整體穩定。