2204巷道破碎頂板支護設(shè)計優(yōu)化

張彥宏

（大同煤礦集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037103）

1 概況

大同煤礦集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司2204巷位于井田二盤區(qū)，巷道東側(cè)為二盤區(qū)膠帶、輔運、回風大巷，南側(cè)為二盤區(qū)5205巷。2204巷設(shè)計長度為1175m，巷道設(shè)計斷面規(guī)格為寬×高=4.5×3.5m，巷道掘進煤層為石炭系5#煤層，煤層平均厚度為11.5m。施工巷道沿5#煤層底板平行掘進，預(yù)留頂煤厚度為8m。5#煤層直接頂以含礫粗砂巖為主，平均厚度為2.51m；基本頂主要以粗砂巖為主，平均厚度為21.66m；直接底主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為3.38m。如表1所示。2204巷采用綜合機械化掘進工藝，截至目前巷道已掘進至442m。

根據(jù)工作面物探資料顯示，2204巷掘進至450m處揭露一條F5正斷層。斷層落差為2.4m，傾角為57°。受斷層影響，2204巷頂煤完整性遭到破壞，在斷層前后15m范圍內(nèi)形成應(yīng)力破碎區(qū)，局部區(qū)域出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，巷幫移近量達0.53m，底鼓量最大達0.47m。

表1 石炭系5#煤層頂?shù)装鍘r性表

2 原支護設(shè)計及問題分析

2.1 應(yīng)力破碎區(qū)頂板原支護設(shè)計

2204巷應(yīng)力區(qū)頂板初步支護設(shè)計采用“JW型鋼帶+錨桿（索）+錨索吊棚”進行聯(lián)合支護。

（1）JW型鋼帶。頂板JW型鋼帶長度為4.2m，寬度為0.28m，每根鋼帶上均勻焊制5個直徑為30mm圓孔，孔間距0.9m，鋼帶垂直巷道布置，排距為1.0m。

（2）錨桿（索）。頂板采用長度為2.5m、直徑為22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿與JW型鋼帶配套使用，每排布置5根，錨桿與鋼帶之間采用鋼方墊進行預(yù)緊；頂板錨索長度為5.3m，直徑為17.8mm，每排布置3根，間距為1.6m，排距為3.0m，錨索施工在相鄰兩根鋼帶之間。

（3）錨索吊棚。頂板錨索吊棚主要由工字鋼梁、兩根錨索組成。工字鋼梁長度為3.8m，錨索長度為5.0m，直徑為17.8mm，錨索吊棚與鋼帶平行布置，吊棚排距為2.0m。

2.2 存在的主要問題

（1）頂板破壞嚴重。受構(gòu)造應(yīng)力及巷道開挖應(yīng)力影響，在斷層破碎區(qū)內(nèi)巷道頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，對頂板產(chǎn)生嚴重垂直破壞作用。而頂板采用錨桿、錨索、吊棚主要是對頂板進行懸吊作用，在集中應(yīng)力作用下頂板巖體破碎范圍逐漸擴大，形成巖體應(yīng)力松動圈。當松動圈范圍擴大至支護體錨固段時，支護體出現(xiàn)錨固失效現(xiàn)象，降低了支護體支護作用，從而造成頂板冒落事故發(fā)生。

（2）煤頂穩(wěn)定性差。2204巷掘進煤層為石炭系不穩(wěn)定煤層，預(yù)留頂煤厚度為8m，煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含多層夾矸，造成煤層完整性差，局部出現(xiàn)煤巖分區(qū)現(xiàn)象。同時，5#煤體巖石普氏系數(shù)f=1.2，煤體單軸抗壓強度相對較低，在集中應(yīng)力作用下頂煤破碎嚴重，破壞了頂煤承載梁，降低了頂煤承載作用，從而無法實現(xiàn)錨桿對頂板產(chǎn)生懸吊梁作用。

（3）巷幫煤柱支撐強度低。2204巷兩幫為全煤柱，煤柱支撐作用強度相對較低，在頂板應(yīng)力作用下巷幫煤柱距頂1.5m范圍內(nèi)出現(xiàn)剝離破壞，煤柱破壞嚴重，煤柱出現(xiàn)收縮、插底現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道圍巖變形嚴重，底板出現(xiàn)鼓起。

（4）切頂破壞嚴重。在破碎頂板采用錨索吊棚進行加強支護時，由于吊棚支護斷面相對較小，鋼棚剛度大、韌性小，在對頂板進行支護時，鋼梁對頂板出現(xiàn)切頂破壞現(xiàn)象，加劇了頂板破碎力度。

3 支護優(yōu)化設(shè)計

為了保證2204巷后期巷道掘進安全，提高巷道掘進效率，對支護進行優(yōu)化，決定采用“高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索桁架支護+雙梁梯形鋼棚支護”聯(lián)合支護措施代替原錨索吊棚支護。

3.1 高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索桁架支護

（1）支護原理。通過對兩根斜角錨索施加橫向預(yù)應(yīng)力，使兩根錨索對頂板巖體產(chǎn)生一個仰斜作用力且與錨索鉆孔垂直，兩個仰斜作用力合力垂直向上，從而削弱頂板垂直向下的應(yīng)力，降低應(yīng)力對頂板破壞作用。

（2）支護材料。高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索兩根，錨索長度為10m，直徑為21.6mm；雙向張拉器一個；桁架圓桿托架兩根，每根長度為1.5m，直徑為20mm；MSKC23/35超快型、MSK23/60快速型錨固劑若干根。

（3）支護工藝。① 首先對頂板施工一排錨索鉆孔，鉆孔施工在相鄰兩根鋼帶之間，錨索間距為2.5m，鉆孔深度為10m，鉆孔終孔位置位于直接頂穩(wěn)定巖層內(nèi)，鉆孔傾角視頂板應(yīng)力大小進行確定，2204巷桁架錨索與頂板夾角為75°；② 鉆孔施工完后對鉆孔依次填裝三支錨固劑以及恒阻錨索并進行錨固，錨索外露長度控制在0.3m左右；③ 錨索安裝后對兩根外露端分別安裝一根圓鋼托架，并采用鎖具進行固定，在兩根圓鋼托架另一端安裝一個雙向張拉器，并進行張拉預(yù)緊，如圖1所示。

圖1 2204巷破碎頂板高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索桁架支護示意圖

3.2 雙梁梯形鋼棚支護

為降低巷幫煤柱支撐應(yīng)力，決定對2204巷應(yīng)力區(qū)支設(shè)雙梁梯形鋼棚支護。

（1）2204巷雙梁梯形鋼棚主要由雙梯形頂梁、梯形棚腿、底座、連接螺母等部分組成。其中底座長度為2.0m，寬度為0.3m，為了聯(lián)鎖保護作用，兩架鋼棚共用一組底座；頂梁采用兩根長度為4.2m、寬度為0.20m槽鋼，以及5根長度為0.5m、寬度為0.1m槽鋼組成，頂梁呈“梯子”型；棚腿由11#槽鋼焊制而成，長度為3.6m，棚腿架設(shè)斜角為80°。如圖2所示。

（2）首先在工作面5.0m巷幫處安裝棚腿底座，每架底座采用地錨與底板進行固定，相鄰兩架底座疊加布置。

（3）底座固定后將兩根棚腿分別與底座進行固定，棚腿與底座之間采用四根地錨進行固定。棚腿安裝后在棚腿上方安裝一根梯形頂梁，頂梁與棚腿之間采用連接螺母進行固定。如圖2所示。

（4）鋼棚排距為2.0m，鋼棚安裝后保證頂梁與頂板接觸嚴實，不接頂處采用水泥背板進行填充。鋼棚架設(shè)后對鋼棚變形情況進行實時觀察，在過斷層前后3.0m處頂板應(yīng)力相對較大，若鋼棚發(fā)現(xiàn)變形現(xiàn)象時應(yīng)及時調(diào)整梯形棚腿安裝角度。

圖2 雙梁梯形鋼棚支護斷面示意圖

4 結(jié)論

針對2204巷過斷層期間頂板下沉破碎、巷幫變形、底板鼓起現(xiàn)象，對原支護設(shè)計主要存在的問題進行合理分析，并進行優(yōu)化，提出了“高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索桁架支護+雙梁梯形鋼棚支護”聯(lián)合支護措施，通過實際應(yīng)用取得顯著成效。

（1）通過施工高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索桁架支護，不僅起到了錨索懸吊支護作用，而且通過人工施加的張緊力，使錨索被動產(chǎn)生向上的作用力，削弱了集中垂直應(yīng)力對頂板破壞作用。采取高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索桁架支護，控制了頂板破碎、冒落現(xiàn)象，頂板下沉量控制在0.12m以下，保證了頂板永久支護質(zhì)量。

（2）與傳統(tǒng)錨索吊棚相比，雙梁梯形鋼棚對頂板支護斷面大，支護效果好，有效防止對頂板產(chǎn)生的切頂破壞。同時鋼棚采用的是梯形斷面，與矩形斷面相比承載能力強，可適用于沖擊應(yīng)力大區(qū)域。采取雙梁梯形鋼棚后控制了巷幫煤柱變形，巷幫移近量控制在0.31m以下，底鼓量控制在0.25m以下。