應(yīng)力區(qū)巷道頂板聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用分析

張駿立

（山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

長平煤礦六盤區(qū)第一回風(fēng)巷北部為五盤區(qū)采煤工作面切眼（未掘），東部為安家風(fēng)井及礦界，西部為長平礦界，南部為六盤區(qū)第二回風(fēng)巷（西）（未掘）。其他相鄰巷道對(duì)本巷道掘進(jìn)期間無影響。

巷道設(shè)計(jì)長度為4 098 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.8 m×3.5 m，巷道掘進(jìn)煤層為3號(hào)煤層，開口位置位于六盤區(qū)膠輪車北巷西幫，六盤區(qū)第二回風(fēng)巷往北35 m（六盤區(qū)第一回風(fēng)巷中至六盤區(qū)第二回風(fēng)巷中）處，沿3號(hào)煤頂板施工75 m后，穿層至3號(hào)煤層底部，以K7細(xì)粒砂巖作為巷道頂板掘進(jìn)到位，即施工至盤區(qū)邊界的終點(diǎn)位置。

第一回風(fēng)巷采用機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至2019年8月17日巷道已掘進(jìn)1 570 m。根據(jù)長平煤礦地測(cè)科提供資料顯示，巷道掘進(jìn)至1 562 m處時(shí)巷道進(jìn)入F5斷層應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力區(qū)預(yù)計(jì)長度為31 m。巷道掘進(jìn)至1 565 m處時(shí)頂板出現(xiàn)應(yīng)力破碎現(xiàn)象，掘進(jìn)至1 570 m處時(shí)頂板破碎嚴(yán)重，原頂板錨桿（索）支護(hù)效果差，無法對(duì)頂板進(jìn)行有效支護(hù)作用。

1 第一回風(fēng)巷原頂板支護(hù)問題分析

1.1 巷道前期支護(hù)方案

第一回風(fēng)巷前期頂板主要采用錨索、錨桿、鋼帶聯(lián)合的支護(hù)方式。頂板采用長度與直徑分別為2.0 m和20 mm的左旋螺紋錨桿，每排施工5根錨桿，相鄰錨桿的距離為1.0 m，相鄰兩排錨桿的距離為1.1 m；鋼帶采用高強(qiáng)度鋼材制成，長度設(shè)計(jì)為4.8 m，通過5根錨桿將鋼帶錨固在頂板上；頂板錨索的長度與直徑分別為4.0 m和17.8 mm。

1.2 支護(hù)存在的問題

1）支護(hù)強(qiáng)度低。根據(jù)勘察結(jié)果顯示，第一回風(fēng)巷的直接頂?shù)暮穸葹?.6 m，且煤質(zhì)松軟穩(wěn)定性較差，在斷層煤壁集中應(yīng)力的作用下，直接頂很容易發(fā)生破碎、垮落，且會(huì)向煤壁深處延伸。原方案采用的錨桿長度僅為2 m，直接頂?shù)钠扑閹r體無法對(duì)錨桿錨固端起到牢固的懸吊作用，一旦頂板的壓力超出了原巖構(gòu)造應(yīng)力后，頂板將會(huì)發(fā)生大面積垮落。

2）錨索錨固效果差。第一回風(fēng)巷最初設(shè)計(jì)的錨索長度為4 m，錨索的錨固端處于基本頂與直接頂間，當(dāng)頂板破碎使得壓力增大后，錨固端會(huì)發(fā)生脫落，導(dǎo)致頂板離層，最終因錨索錨固效果差而造成頂板大面積垮落，發(fā)生漏頂事故。

3）頂板穩(wěn)定性差。第一回風(fēng)巷前期掘進(jìn)期間受F5斷層的影響，再加上后期的支護(hù)效果差，導(dǎo)致頂板發(fā)生大面積垮落，而且破碎的區(qū)域在不斷增加，頂板的穩(wěn)定性也在下降，巷道的頂板原巖結(jié)構(gòu)被破壞，頂板巖體的承載能力也大大降低，施工人員采用的支護(hù)僅僅能起到點(diǎn)性支護(hù)作用，無法形成組合梁。

4）鋼帶承載能力低。第一回風(fēng)巷初步設(shè)計(jì)中頂板采用的是“M”型鋼帶，鋼帶寬度與厚度分別為0.15 m、3.5 mm，這種規(guī)格的鋼帶無法承載較大的應(yīng)力，且支護(hù)斷面較小，當(dāng)巷道頂板破碎嚴(yán)重時(shí)，鋼帶會(huì)無法承載壓力發(fā)生斷裂。

2 應(yīng)力區(qū)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

為了進(jìn)一步提高應(yīng)力區(qū)巷道頂板穩(wěn)定性，保證第一回風(fēng)巷安全快速過F5斷層應(yīng)力區(qū)，決定在巷道頂板永久支護(hù)的前提下采用“超前撞楔支護(hù)+工字鋼棚”的聯(lián)合支護(hù)措施。

2.1 超前撞楔支護(hù)

巷道的工作人員在進(jìn)行永久支護(hù)期間，如頂板原巖無法承載頂板壓力，很容易造成下面的工作人員被掩埋，因此技術(shù)人員為了確保工作人員的生命安全，設(shè)計(jì)采用以下方式來對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。

1）巷道掘進(jìn)前，施工人員采用氣動(dòng)鉆機(jī)在原頂板的位置鉆一排撞楔超前支護(hù)鉆孔；鉆孔的走向要與巷道一致，同時(shí)要與煤壁保持垂直狀態(tài)，誤差不得大于±2°。

2）施工人員要在每排鉆9個(gè)鉆孔，鉆孔的直徑、深度分別為0.03 m、3.5 m，相鄰鉆孔的距離為500 mm，當(dāng)每排鉆孔施工完畢后，工作人員要及時(shí)對(duì)鉆孔內(nèi)的煤屑進(jìn)行清理。

3）待鉆孔完成后，施工人員要將錨固劑及超前支護(hù)體依次放入鉆孔內(nèi)，超前支護(hù)體的材質(zhì)為圓鋼，長度與直徑分別為4 m、25 mm，錨固后的支護(hù)體外露長度不得大于0.5 m，外露端還需安裝一根鋼帶將頂板與超前支護(hù)體進(jìn)行固定。

4）待第一排鉆孔完成施工后，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)要將截割頭高度降低半米，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)后，在超前支護(hù)的支護(hù)下采用錨桿、錨索進(jìn)行永久支護(hù)。

5）待掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)3 m后進(jìn)行第二排超前支護(hù)的施工，前后兩排要呈交錯(cuò)嵌入式，嵌入深度不得低于0.5 m，并采用鋼帶對(duì)嵌頭處進(jìn)行固定。按照以上工序依次完成后期的支護(hù)工作，直至完全通過斷層區(qū)域，如圖1所示。

圖1 第一回風(fēng)巷斷層應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)斷面示意圖（mm）

2.2 架設(shè)矩形工字鋼棚

1）為了避免掘進(jìn)工作面發(fā)生離層、下沉現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)后在滯后巷道的迎頭5.0 m處開始架設(shè)密集矩形工字鋼棚。工字鋼棚主要是由以下部件組成：頂梁、頂護(hù)板、連接桿、底座、棚腿、卡蘭。

2）根據(jù)資料顯示，第一回風(fēng)巷底板主要為炭質(zhì)泥巖，煤質(zhì)比較松軟，施工人員首先要使用風(fēng)鎬對(duì)松軟的底板進(jìn)行起底，起底的深度和寬度均為0.3 m，長度可以根據(jù)具體頂板的破碎距離及工字鋼棚的數(shù)量決定，完成后使用混凝土對(duì)起底部分進(jìn)行澆筑。

3）當(dāng)施工人員將棚腿底座安裝完畢后，在底座上分別安裝兩根棚腿，并用螺栓進(jìn)行固定。棚腿與頂梁要采用卡蘭進(jìn)行固定，固定后的預(yù)緊力不得低于150 N·m。

4）相鄰鋼棚架設(shè)距離為1.0 m，當(dāng)施工人員將所有鋼棚架安裝完畢后，需采用兩組連接桿將兩架鋼棚棚腿進(jìn)行固定，來提高鋼棚的整體穩(wěn)定性，此外還需在相鄰鋼棚的頂梁間填補(bǔ)5塊規(guī)格為1.0 m×0.5 m的水泥護(hù)板，確保護(hù)板與頂板間接觸嚴(yán)密。

3 結(jié)語

1）巷道采用撞楔支護(hù)后，頂板距離增加了原來的一倍，破碎區(qū)域的頂板下沉量大大減小，且未出現(xiàn)頂板大面積破碎垮落的現(xiàn)象，確保了巷道的支護(hù)安全，巷道的掘進(jìn)速度也提高到現(xiàn)在的9.5 m/d，是原來掘進(jìn)速度的兩倍，為后期工作面的設(shè)備穩(wěn)裝節(jié)約了大量的時(shí)間。

2）通過鋼棚支護(hù)與永久支護(hù)對(duì)破碎頂板進(jìn)行支護(hù)，改變了傳統(tǒng)單一的支護(hù)方式，采用主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的新方式，大大提高了巷道的支護(hù)效果。技術(shù)人員對(duì)支護(hù)后的巷道離層情況進(jìn)行記錄，架設(shè)工字鋼棚后頂板下沉量為0.11 m/d，而且隨著掘進(jìn)的延伸下沉量越來越小。