密集工字鋼棚在巷道頂板破碎帶中應(yīng)用

王罡華

(山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

1 工程概述

長(zhǎng)平煤礦53051巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 400 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為4.5 m×4.0 m(寬×高),巷道為矩形斷面，巷道沿3#煤層頂板掘進(jìn)，巷道無危頂，直接頂主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為2.4 m,基本頂主要以粗砂巖為主，平均厚度為9.8 m，53051巷采用EBZ200型掘進(jìn)機(jī)機(jī)械化掘進(jìn)，截止目前巷道已掘進(jìn)920 m[1]。

53051巷掘進(jìn)至910 m處巷道圍巖破碎嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在兩幫片幫以及收縮嚴(yán)重、頂板下沉等，通過鉆探及地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)至925 m處揭露一條F2斷層，斷層落差為1.7 m，平均傾角為52°，受斷層影響巷道在揭露斷層期間構(gòu)造應(yīng)力在巷道開挖空間產(chǎn)生釋壓現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖破壞嚴(yán)重，為了保證巷道安全快速過F2斷層影響區(qū)，必須對(duì)斷層帶附近巖體進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，削弱構(gòu)造應(yīng)力對(duì)頂板垂直破壞作用，對(duì)此，長(zhǎng)平煤礦綜掘三隊(duì)通過研究決定，對(duì)斷層影響區(qū)頂板架設(shè)密集矩形工字鋼棚[2-3]。

2 原支護(hù)設(shè)計(jì)及存在難題

2.1 傳統(tǒng)支護(hù)方式

1)53051巷傳統(tǒng)的支護(hù)方式采用螺紋鋼錨桿對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。錨桿的直徑與長(zhǎng)度分別為22 mm、2.5 m，頂板每排施工5個(gè)鉆孔，并在每個(gè)鉆孔內(nèi)依次放入2支樹脂藥，相鄰錨桿的距離為1.0 m，相鄰2排錨桿的距離為1.0 m，所有錨索的安裝方向要與巷道頂板垂直[4-5]。

2)巷道使用的鋼帶型號(hào)為“JW”型，鋼帶尺寸為4.2 m×0.25 m×4 mm(長(zhǎng)×寬×高)，并將5根錨桿分別傳入鋼帶孔內(nèi)，相鄰鋼帶的距離為1.0 m。

3)頂板錨索采用長(zhǎng)度與直徑分別為4.5 m、17.8 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，相鄰錨索之間的距離為1.6 m，每間隔3排鋼帶安裝1組錨索，并采用長(zhǎng)度為為0.3 m的方托板與錨索緊固。

4)使用鉛絲編制一塊長(zhǎng)為4 m、寬為2 m的金屬網(wǎng)，網(wǎng)格為菱形四邊形，邊長(zhǎng)為50 mm；相鄰2塊金屬網(wǎng)交叉重疊的位置不小于0.2 m,并使用鉛絲將重疊位置進(jìn)行連接。

5)錨固完畢后要對(duì)錨桿部分進(jìn)行檢查，確保錨桿的外露部分在10 mm至30 mm之間，錨索外露部分在150 mm至250 mm之間，同時(shí)還需對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行檢查，確保錨索的預(yù)緊力大于15 t.

2.2 存在難題

1)53051巷掘進(jìn)至910 m處時(shí)通過對(duì)頂板施工窺視鉆孔發(fā)現(xiàn)，在頂板網(wǎng)上5.0 m范圍內(nèi)出現(xiàn)局部離層現(xiàn)象，原頂板錨索錨固段位于離層區(qū)內(nèi)，錨索無法對(duì)離層頂板起到有效的懸吊作用。

2)通過對(duì)應(yīng)力區(qū)破碎頂板觀察發(fā)現(xiàn)，在破碎區(qū)10 m～15 m范圍內(nèi)煤壁片幫相對(duì)嚴(yán)重，導(dǎo)致頂板與巷幫的三角煤柱不能預(yù)留，原支護(hù)無法對(duì)三角煤柱進(jìn)行有效支護(hù)，從而加大了巷幫及三角煤柱破碎力度。

3)頂板的主動(dòng)支護(hù)主要是錨桿、錨索支護(hù)，由于頂板片幫面積較大，采用錨網(wǎng)等支護(hù)方式已經(jīng)不能有效控制頂板，需根據(jù)斷層機(jī)理采取被動(dòng)與主動(dòng)結(jié)合的支護(hù)方式，如第184頁圖1所示。

圖1 F2斷層破碎帶剖面示意圖

3 密集矩形鋼棚支護(hù)

為了提高斷層區(qū)頂板穩(wěn)定性，防止頂板出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，決定對(duì)斷層應(yīng)力區(qū)施工密集矩形工字鋼棚并對(duì)原頂板支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

1)為了有效地對(duì)破碎頂板進(jìn)行支護(hù)，快速地通過斷層區(qū)域，對(duì)原支護(hù)錨索規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后頂板錨索長(zhǎng)度為8.3 m，直徑為21.6 mm，錨索間排距不變，錨索外露端安裝一根長(zhǎng)度為0.6 m工字鋼梁。

2)為了提高三角煤柱整體穩(wěn)定性，在應(yīng)力區(qū)破碎區(qū)將原頂板鋼帶更換為“]”型鋼帶，鋼帶長(zhǎng)度為6.0 m，鋼帶收尾采用長(zhǎng)度為2.0 m錨桿固定在兩幫肩角處，中部采用4根長(zhǎng)度為3.5 m加長(zhǎng)錨桿固定巷道頂板處。

3)完成以上工序后，施工人員還需在鋼帶下方每隔1.0 m安裝一架工字鋼棚，工字鋼棚是由底座、棚腿、水泥背板、頂梁、連接桿、卡蘭等配件組成。

4)根據(jù)破碎頂板的距離計(jì)算，通過斷層共需安裝20架鋼棚，鋼棚的規(guī)格為4.5 m×4.0 m(寬×高)，并用卡蘭將頂梁與棚腿進(jìn)行固定。

5)為了能夠確保棚腿的穩(wěn)定性，需對(duì)底板進(jìn)行起底施工，并將棚腿底座安裝起底處且采用混凝土澆筑，棚腿與巷幫之間采用錨桿進(jìn)行固定，從而加強(qiáng)鋼棚整體穩(wěn)定性。

6)相鄰兩架鋼棚安裝完成后采用4根頂梁將兩架相鄰的鋼棚進(jìn)行連接，使用連接桿對(duì)相鄰鋼棚的棚腿進(jìn)行連接，并使用卡蘭將棚梁與頂梁進(jìn)行固定，如圖2所示。

圖2 53051巷斷層應(yīng)力區(qū)架設(shè)工字鋼棚斷面、平面示意圖

7)鋼棚安裝完畢后要對(duì)鋼棚與頂板的接頂情況進(jìn)行觀察，在鋼棚與頂板間隙的位置填加水泥背板，并用高壓泵注射填充劑，對(duì)水泥背板間隙進(jìn)行填充。

4 結(jié)語

長(zhǎng)平煤礦綜掘三隊(duì)通過對(duì)53051巷過F2斷層影響區(qū)時(shí)，采取密集工字鋼棚加強(qiáng)支護(hù)以及合理優(yōu)化原頂板永久支護(hù)設(shè)計(jì)后，巷道在過斷層期間頂板未出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象，提高了斷層應(yīng)力區(qū)頂板整體穩(wěn)定性，防止了構(gòu)造應(yīng)力在頂板裂隙區(qū)產(chǎn)生擴(kuò)張破壞作用，大大削弱了構(gòu)造應(yīng)力對(duì)頂板垂直破壞作用，巷道在斷層區(qū)平均掘進(jìn)速度達(dá)6.5 m/d，取得了顯著應(yīng)用成效。