煤礦巷道破碎頂板支護問題分析及優(yōu)化改進研究

侯晉剛

（晉能控股煤業(yè)集團掌石溝煤礦，山西 高平 048400）

引言

某礦中43221 巷，其巷長為1 400 m，該巷橫斷面寬為5.0 m，高為3.6 m，3 號層是其所挖掘的煤層，該3 號層的頂板，是施工巷道施工過程中的依據(jù)，會沿著其頂板進行挺進，而其中，該煤層的直接頂，其厚度一般是4.7 m，主要是由砂質泥巖以及細砂巖為主而構成的；而煤層的基本頂，其平均的厚度一般為11.4 m，其構成主要是以砂巖作為原材料的。通過數(shù)據(jù)表明，該施工巷道已經(jīng)將510 m 的長度挖掘完畢。

該施工巷道仍在進行挖掘中，當其挖至502 m時，有一條X7 陷落柱，該陷落柱在施工巷道北部，其長度約為45 m 處，通過觀察能夠發(fā)現(xiàn)，該陷落柱的形狀為橢圓狀，其中，該陷落柱的長軸長是54 m，短軸長則是23 m，除此之外，該陷落柱剛好與施工巷道的夾角為31°，通過測量施工巷道與陷落柱的垂直距離，可以得知陷落柱與施工巷道是最短距離是15.4 m。

隨著施工巷道的不斷推進，當其施工距離為507 m 時，此時，陷落柱將會對該巷道產(chǎn)生一定的影響，導致該巷道的頂板出現(xiàn)破損?；诖?，隨著施工巷道的不斷施工，那么陷落柱與施工巷道的距離，將會不斷地縮短，那么相應的，巷道所受到陷落柱對其的影響，也將會變的越來越嚴重。當巷道的施工距離不斷推進，到510 m 時，巷道的頂板將會承受陷落柱對其的影響，而出現(xiàn)大面積的破損，更有甚者，將會使得巷道最初的支撐逐漸失效，已經(jīng)不能夠對巷道起到保護的作用，也將不能夠保證巷道的順利施工。

基于此，生產(chǎn)管理部門將會對其存在的問題進行進一步的分析，并進行合理且高效的優(yōu)化。

1 原頂板支護設計及問題分析

1.1 43221 巷原頂板支護設計

通過錨桿、錨索、鋼帶以及金屬網(wǎng)這4 種裝備，組合到一起，構成43221 巷道原頂板的支護[1]。

1）錨桿是43221 巷道原頂板支護中的重要組成部分，其一般選用直徑為22 mm，長度為2.4 m 的強度較高的螺紋鋼錨桿。其在頂板支護中，一般設置為每一排5 根，且在一排中錨桿與錨桿之間的排布距離是1.1 m；在兩排中，各排與各排錨桿之間的距離，一般是1.0 m。

2）鋼帶同樣也是巷道原頂板支護中重要的組成部分之一，在此原頂板支護中，鋼帶一般選用“W”型的，且“W”型鋼帶的長是4.8 m，寬是0.25 m。在此支護中，鋼帶會與錨桿進行組合使用，一般會將鋼帶與5 條錨桿進行連接，同時，要保證這5 條錨桿，錨桿與錨桿之間的距離是1.0 m。

3）巷道原頂板支護中用到的預應力鋼絞線，其直徑一般是17.8 m，長是5.0 m，在對錨索用預應力鋼絞線進行排布時，一般每排設置3 根，且在一排中，每根錨索之間的距離是2.0 m，在2 排中，排與排之間的距離是3.0 m。處理對錨索進行固定以外，還需要對其外漏部分進行整理，防止出現(xiàn)意外，一般用鋼方墊、鎖具等對其進行固定，其中鋼方墊的長為0.3 m。

1.2 原支護主要存在問題

通過調查相關資料，得知原支護存在以下問題：

1）由于巷道的挖掘是持續(xù)不斷的進行的，因此，隨著巷道的不斷開發(fā)，將會大大縮減與X7 陷落柱的距離，那么，這也就意味著，巷道逐漸會承受越來越大的構造應力，同時，還會逐漸地在巷道的頂板處形成一個所承受的應力較為集中的地方，那么這將會使得巷道頂板有一部分是下沉較為明顯的區(qū)域，與此同時，最初的錨桿長度是2.4 m，根本不足以支撐該下沉區(qū)域，因此，這將會造成錨桿出現(xiàn)較為明顯的失效[2-5]。

2）巷道頂板隨著其不斷的挖掘，將會受到越來越大的應力作用，這也將會使得巷道內部受到一定的影響，即該內部的圍巖膠結的性能有所下降。當這些狀況出現(xiàn)時，鋼帶已經(jīng)對其無法進行有效的支撐與保護。

3）在巷道受應力區(qū)域內，以往的錨索已經(jīng)對其無法進行錨固，或錨固的效果并不理想，此外，以往的錨索，外觀方面的設計稍微有點欠缺，且其屈服較低，已經(jīng)不能夠再對其進行支撐保護，甚至會毀壞錨索。

2 43221 巷頂板支護優(yōu)化改進

2.1 原頂板永久支護優(yōu)化設計

1）為了能夠保障支護能夠對巷道原頂板起到保護作用，且是永久性的保護，因此需要對支護進行優(yōu)化設計。其優(yōu)化的結果為：更換原頂板內部的錨索，新的錨索直徑為21.6 mm，長度為8.3 m，這種稱其為恒組錨索。除了此項改進外，還需要改變錨固的距離，以期能夠對錨固的質量有所改進，其具體改進方式為改變相鄰2 組錨索的距離，將以往的3.0 m，改為如今的2.0 m。

2）對支護的優(yōu)化改進，除了上述針對錨索的改進以外，還可以對錨桿進行相應的改進，如將錨桿更換成直徑為22 mm、長度為3.2 m 的超長螺紋剛錨桿，除此之外，還為其配置相應的錨固劑，這種錨固劑快速且牢固，其他的保持不變。

2.2 桁架錨桿支護

1）桁架錨桿主要有2 根傾角錨桿、2 根拉桿、1個拉緊器以及多個鋼墊片組成，其承載了43221 巷道頂板中大部分的應力。

2）當巷道的挖掘進程達到該巷道中應力較為集中的地方時，同時將永久支護已經(jīng)安裝完畢，此時，還需要鉆一個錨桿鉆孔，而這個鉆孔的位置，位于2組鋼帶之間，同時距離巷幫1.0 m 遠，除此之外，還需要與巷道頂板成60°夾角。為了能夠使其起到真正的支撐作用，還需在鉆孔內部增加一個析架錨桿，且其長度為3.0 m。

3）通過以上步驟，錨桿已經(jīng)安裝完畢，那么此時就需要對其進行錨固，同時，還需要在其錨固以后，進行相應的錨桿拉拔試驗，以驗證其牢固性。

4）為了保證安裝的牢固性，需要對析架錨桿進行預緊，在對其預緊過程中，會產(chǎn)生一定的合力，且該合力能夠與頂板的垂直應力相互作用，而最終相互抵消，其支護的原理如圖1 所示。

圖1 桁架錨桿支護原理示意圖

2.3 π 型鋼棚支護

對于支護強度的提高，除了以上措施外，還可以通過設置π 型鋼棚以提高支護的強度以及穩(wěn)定性。

1）π 型鋼棚承載力較強于矩形鋼棚，且π 型鋼棚主要有4 節(jié)棚腿、1 節(jié)π 型鋼棚以及卡纜組成。對于棚腿，為了提高其穩(wěn)定性，還需在其下方配備有相應的底座，且該底座的長和寬剛好相等，皆為0.3 m。

2）除了上述所說配備有相應的底座之外，還需要對其地板進行澆鑄處理，以提高其穩(wěn)定性，且還需要保證該澆鑄的深度是0.2 m，除此之外，在處理完以后，還要保證其的平整性。

3）以上所有的程序均已完成以后，這時才在碰腿上安裝π 型頂梁，同時還需要對其進行進一步的牢固處理，可以用卡纜等。除此之外，在對其進行牢固處理時，還需將頂梁以及頂板留有縫隙，且鋼棚與鋼棚之間的距離一般設定為2.0 m。

4）鋼棚上方需要安裝橫梁，且需要對其安裝角度有一定的規(guī)定，需要注意，如橫梁與橫梁之間的距離一般為1.0 m。

5）通過以上一系列的操作以后，π 型鋼棚支護的安裝效果如圖2 所示。

圖2 43211 巷應力區(qū)頂板“π”型鋼棚支護斷面示意圖（未標單位：mm）

3 結語

通過調研發(fā)現(xiàn)，到2019 年6 月24 日，43221 巷道的挖掘，已經(jīng)穿過了X7 陷落柱應力影響區(qū)。通過對應力區(qū)巷道頂板進行一系列的改進，如文中提到的聯(lián)合支護技術等，通過對其的測試，發(fā)現(xiàn)支護與頂板之間。在0 d～15 d 之間時，并沒有達到完全的耦合，這將會對頂板的承受能力有一定的考驗，能發(fā)現(xiàn)，該頂板的變形較為嚴重，且其下沉高度為0.14m；頂板耦合能夠真正起到支護作用的范圍是15 d～25 d，在此期間，能夠看到頂板的承受能力有一定是好轉；頂板能夠趨向穩(wěn)定階段是25d 以后。通過文中對桁架錨索支護以及π 型鋼棚的了解與研究，發(fā)現(xiàn)將二者進行聯(lián)合支護的時候，支護效果最好，也最穩(wěn)定。