巷道破碎頂板支護問題及優化改進研究

郭 亮

（山西汾西宜興煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

0 引言

某煤礦巷道原有的頂板支護工作存在一定的欠缺和不足，造成巷道頂板和周圍圍巖結構安全性有待提升，需要對原有的巷道破碎頂板支護工作方式進行整改，提出更加先進的支護工作方式，有效保證巷道頂板位置的安全性和穩定性，保證整個煤礦開采工作的安全穩定進行。

1 工程概況

某煤礦巷道開采工作展開分析和研究，本次巷道設計總長度1 450 m，巷道斷面規格為5.0 m×3.6 m，掘進巷道煤層厚度為5.5 m，巷道沿著本次3#煤層頂板位置進行掘進。煤層直接和主要的圍巖結構之間形成銜接，周圍圍巖結構主要是以砂質泥巖、細砂巖材料為主，平均厚度為4.4 m。煤礦巷道頂板位置主要是以砂巖為主，平均厚度為11.5 m，截止到目前為止，該巷道掘進總距離已經達到510 m。

該礦巷道在掘進到500 m 時，在巷道的北側區域大約50 m 位置存在一條陷落柱，陷落柱形狀為橢圓形，狀長軸長度為55 m，短軸長度為25 m，長軸和該煤礦巷道的整體走向，夾角為35°，線路柱和巷道之間的最短距離為15.5 m。當巷道掘進到505 m 的位置時，由于受到陷落柱整體構造所產生的影響，巷道的頂板位置出現不同程度的破碎問題，并且隨著巷道的掘進方向快速延伸，巷道高和陷落柱之間的間距明顯縮小，巷道的整體受力也在不斷加大。當巷道掘進到510 m 位置是頂板位置產生大面積的材料破碎問題，嚴重的位置產生巖層結構的整體脫離，進而造成巷道的原有支護結構失效率相對較高，原有的支護結構無法滿足巷道道安全掘進和施工。對此，相關煤礦開采單位對原有的頂板支護存在的問題進行研究，同時展開了全面優化處理，有效保證煤礦巷道頂板和整體結構的安全性和穩定性[1]。

2 原頂板支護設計工作中存在的主要問題

第一，隨著煤礦巷道的不斷向前掘進，陷落柱距離不斷縮小，造成煤礦巷道所受到的應力也在不斷加大，同時在巷道的頂板區域位置形成大面積的應力集中區域，通過對應力集中區域頂板破碎問題以及片幫穩定性問題進行分析，能夠有效解決煤礦巷道頂板破碎的問題。通過對煤礦巷道頂板破碎的原因進行分析，能夠有效解決巷道頂板破碎問題，在對巷道頂板破碎的原因進行分析中，主要是由于煤巖體以及周圍圍巖之間形成了較大的應力差，導致煤巖體處于較大的應力集中狀態，從而造成了煤礦巷道的頂板破碎問題。通過對煤巖體以及周圍圍巖之間形成應力差的原因進行分析，能夠有效解決煤礦巷道頂板破碎問題。

第二，在煤礦巷道掘進工作面向前推進過程中，受到陷落柱構造應力時產生的影響，巷道應對區域范圍內的圍巖結構膠結性能不斷下降，頂板位置會產生嚴重的破碎和下沉問題，如果單純使用鋼帶無法對破損區域的頂板進行全面加固處理，同時隨著煤礦開采工作面地繼續向前推進，頂板位置的受力會不斷增加，鋼帶的變形量也會進一步加重[2]。

第三，在煤礦巷道掘進工作面向后推進過程中，煤礦開采工作面逐漸向前推進，在采動應力作用下會導致煤巖體產生不斷變化的應力狀態，使頂板發生下沉、開裂和脫落等問題，導致煤礦巷道掘進過程中出現嚴重的支護問題。

針對以上存在的巷道破碎頂板支護問題，首先應該對巷道的實際情況進行認真分析，在此基礎上找出破壞原因并加以解決。針對巷道的實際情況選擇合適的支護方式和材料，選擇科學合理的施工方案來進行施工，通過多種措施的配合來提升煤礦巷道圍巖整體穩定性，進而減少巷道掘進過程中出現的嚴重支護問題。

3 巷道破碎頂板支護工作優化措施

3.1 原頂板永久性支護優化策略

針對原支護工作中存在的問題進行全面分析，通過對原有支護方式進行優化處理，結合煤礦巷道破碎頂板的具體情況，采用新的支護方式對原有的支護工作進行優化改進，能夠有效保證巷道破碎頂板的安全性和穩定性。在實際煤礦巷道掘進工作過程中，按照巷道的斷面規格以及掘進工作距離來劃分施工區域，在不影響井下生產工作開展的前提下，對原有的巷道進行了全面優化改進。在煤礦開采作業過程中，采用新的支護方式進行頂板區域的支護處理時，需要對巷道破碎頂板位置的具體情況進行分析和研究，選擇更加科學合理的支護方式才能有效保證煤礦井下作業安全[3]。

3.2 橫架錨桿支護優化

橫架錨桿支護方案是在原有的錨桿支護基礎上進行優化改進，形成的一種新型的復合式支護方式，需要結合具體的地質結構特征以及巷道的實際施工條件進行全面分析和研究，針對不同的地質環境，設計出具有針對性的錨桿施工方案。在進行橫架錨桿支護優化設計工作過程中，需要將原有的錨桿材料更換為直徑22 mm，長度為3.3 m 的加長螺紋鋼錨桿，并在相鄰區域設置出1.5 m 長的支撐體結構。在實際巷道施工過程中，由于受到陷落柱構造應力影響，造成巷道破碎頂板和周圍圍巖結構產生較大幅度的下沉現象，并且使得圍巖出現較為明顯的松動情況。錨桿安裝工作結束之后需要對其進行及時加固處理，并且對加固之后的錨桿進行拉拔實驗，確保錨桿加固質量滿足頂板加固工作要求，然后再錨固一端額外安裝一根拉桿，同時使用拉緊器設備將兩根輕腳錨桿之間直接進行連接。橫架錨桿預緊力生成之后需要保證合力大小，可以完全抵消煤礦巷道頂板的垂直應力大小，因此可以實現削弱集中應力對煤礦巷道頂板所產生的破壞性作用[4]。

3.3 π 型鋼棚支護結構

為了有效保證破碎頂板位置的支護強度和穩定性，相關施工人員在展開永久性的支護結構基礎之上，通過架設π 型鋼棚結構，可以進一步提高煤礦巷道頂板的支護結構效果。因為矩形鋼棚頂梁的承載能力相對較弱，因此無法實現對頂板位置進行永久性支護，對此相關工作人員在經過研究分析之后，決定將原有的矩形鋼棚結構改變成π 型鋼棚結構。在支護工作過程中需要對鋼棚底板的位置進行混凝土澆筑處理，其底深度大小為0.2 m 底座，直接安裝在基礎底座位置進行澆筑工作，澆筑工作結束之后需要保證底座位置的平整程度。完成上述工作之后需要將π型頂梁柱進行連接，和煤礦巷道的頂梁位置進行充分加固處理，頂梁和頂板之間需要預留一定的間隙，通過使用兩組拉桿進行直接連接，在拉桿之間安裝鋼筋混凝土。完成上述工作之后，在π 型頂梁的正下方安裝一根鋼筋，鋼筋長度為1 m，長度為6 m，使用8 cm的鋼筋網進行覆蓋。當π 型頂梁完成全部的架設工作之后，需要將π 型頂梁和π 型頂梁柱直接進行連接，通過使用兩組拉桿直接進行連接。在支架的頂部位置安裝兩根拉桿，并將π 型柱子安裝在拉桿上。在使用鋼筋網進行覆蓋的過程中，需要將π 型柱子直接安裝在鋼筋網上，完成上述工作之后需要對鋼棚進行全面加固處理，用四根直徑為Φ20 mm 的錨桿進行錨固，將錨索長度為12 m 直接安裝在鋼棚的正上方位置。

3.4 支護結構優化改進

在煤礦巷道破碎頂板的支護工作中需要充分發揮出π 型鋼棚結構的優勢作用，并且能夠進一步提高支護結構的穩定性。對此，相關施工人員通過研究分析之后，將原有的矩形鋼棚結構改變成π 型鋼棚結構[5]。在鋼棚底板位置安裝一根Φ20 mm 的錨索，通過使用鋼絞線將錨索直接進行連接，通過使用2 根Φ20 mm 的錨索將錨索直接進行連接，同時對鋼棚底板位置進行混凝土澆筑處理。當煤礦巷道出現破碎情況時可以利用π 型頂梁作為主要支撐結構。首先安裝第一架鋼棚，通過對π 型頂梁進行安裝和加固處理之后直接安裝在巷道上方位置。然后繼續安裝第二架鋼棚和第三架鋼棚，通過使用兩組拉桿直接進行連接。

4 結語

該巷道經過頂板位置的支護優化改進工作之后，已經完全通過陷落柱應力的影響區域，同時在針對應力區域巷道頂板采用聯合支護工作方法之后，相關工作人員經過一個月的時間進行穩定性觀察，經過儀器設備的監測以及數據信息收集之后發現，在0～15 d范圍內，因為支護結構和頂板沒有完全達到耦合性作用，頂板的塑性變形量比較明顯，頂板的下沉量大小為0.15 m。在15～20 d 范圍內，頂板耦合支護作用起到了明顯的效果，可以有效控制頂板出現繼續下沉情況變形量有所降低。在25 d 之后，整個煤礦巷道頂板區域基本保持穩定。因此，通過優化支護方案之后，陷落柱應力區域的頂板穩定性得到了全面提高，支護工作效果達到預期。