巷道破碎頂板支護(hù)問(wèn)題及優(yōu)化改進(jìn)研究

郭 亮

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

0 引言

某煤礦巷道原有的頂板支護(hù)工作存在一定的欠缺和不足，造成巷道頂板和周圍圍巖結(jié)構(gòu)安全性有待提升，需要對(duì)原有的巷道破碎頂板支護(hù)工作方式進(jìn)行整改，提出更加先進(jìn)的支護(hù)工作方式，有效保證巷道頂板位置的安全性和穩(wěn)定性，保證整個(gè)煤礦開(kāi)采工作的安全穩(wěn)定進(jìn)行。

1 工程概況

某煤礦巷道開(kāi)采工作展開(kāi)分析和研究，本次巷道設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度1 450 m，巷道斷面規(guī)格為5.0 m×3.6 m，掘進(jìn)巷道煤層厚度為5.5 m，巷道沿著本次3#煤層頂板位置進(jìn)行掘進(jìn)。煤層直接和主要的圍巖結(jié)構(gòu)之間形成銜接，周圍圍巖結(jié)構(gòu)主要是以砂質(zhì)泥巖、細(xì)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(jìn)總距離已經(jīng)達(dá)到510 m。

該礦巷道在掘進(jìn)到500 m 時(shí)，在巷道的北側(cè)區(qū)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(zhǎng)軸長(zhǎng)度為55 m，短軸長(zhǎng)度為25 m，長(zhǎng)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(dāng)巷道掘進(jìn)到505 m 的位置時(shí)，由于受到陷落柱整體構(gòu)造所產(chǎn)生的影響，巷道的頂板位置出現(xiàn)不同程度的破碎問(wèn)題，并且隨著巷道的掘進(jìn)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(dāng)巷道掘進(jìn)到510 m 位置是頂板位置產(chǎn)生大面積的材料破碎問(wèn)題，嚴(yán)重的位置產(chǎn)生巖層結(jié)構(gòu)的整體脫離，進(jìn)而造成巷道的原有支護(hù)結(jié)構(gòu)失效率相對(duì)較高，原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足巷道道安全掘進(jìn)和施工。對(duì)此，相關(guān)煤礦開(kāi)采單位對(duì)原有的頂板支護(hù)存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，同時(shí)展開(kāi)了全面優(yōu)化處理，有效保證煤礦巷道頂板和整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性[1]。

2 原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)工作中存在的主要問(wèn)題

第一，隨著煤礦巷道的不斷向前掘進(jìn)，陷落柱距離不斷縮小，造成煤礦巷道所受到的應(yīng)力也在不斷加大，同時(shí)在巷道的頂板區(qū)域位置形成大面積的應(yīng)力集中區(qū)域，通過(guò)對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域頂板破碎問(wèn)題以及片幫穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析，能夠有效解決煤礦巷道頂板破碎的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)煤礦巷道頂板破碎的原因進(jìn)行分析，能夠有效解決巷道頂板破碎問(wèn)題，在對(duì)巷道頂板破碎的原因進(jìn)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(yīng)力差，導(dǎo)致煤巖體處于較大的應(yīng)力集中狀態(tài)，從而造成了煤礦巷道的頂板破碎問(wèn)題。通過(guò)對(duì)煤巖體以及周圍圍巖之間形成應(yīng)力差的原因進(jìn)行分析，能夠有效解決煤礦巷道頂板破碎問(wèn)題。

第二，在煤礦巷道掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)過(guò)程中，受到陷落柱構(gòu)造應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的影響，巷道應(yīng)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的圍巖結(jié)構(gòu)膠結(jié)性能不斷下降，頂板位置會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破碎和下沉問(wèn)題，如果單純使用鋼帶無(wú)法對(duì)破損區(qū)域的頂板進(jìn)行全面加固處理，同時(shí)隨著煤礦開(kāi)采工作面地繼續(xù)向前推進(jìn)，頂板位置的受力會(huì)不斷增加，鋼帶的變形量也會(huì)進(jìn)一步加重[2]。

第三，在煤礦巷道掘進(jìn)工作面向后推進(jìn)過(guò)程中，煤礦開(kāi)采工作面逐漸向前推進(jìn)，在采動(dòng)應(yīng)力作用下會(huì)導(dǎo)致煤巖體產(chǎn)生不斷變化的應(yīng)力狀態(tài)，使頂板發(fā)生下沉、開(kāi)裂和脫落等問(wèn)題，導(dǎo)致煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的支護(hù)問(wèn)題。

針對(duì)以上存在的巷道破碎頂板支護(hù)問(wèn)題，首先應(yīng)該對(duì)巷道的實(shí)際情況進(jìn)行認(rèn)真分析，在此基礎(chǔ)上找出破壞原因并加以解決。針對(duì)巷道的實(shí)際情況選擇合適的支護(hù)方式和材料，選擇科學(xué)合理的施工方案來(lái)進(jìn)行施工，通過(guò)多種措施的配合來(lái)提升煤礦巷道圍巖整體穩(wěn)定性，進(jìn)而減少巷道掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的嚴(yán)重支護(hù)問(wèn)題。

3 巷道破碎頂板支護(hù)工作優(yōu)化措施

3.1 原頂板永久性支護(hù)優(yōu)化策略

針對(duì)原支護(hù)工作中存在的問(wèn)題進(jìn)行全面分析，通過(guò)對(duì)原有支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化處理，結(jié)合煤礦巷道破碎頂板的具體情況，采用新的支護(hù)方式對(duì)原有的支護(hù)工作進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，能夠有效保證巷道破碎頂板的安全性和穩(wěn)定性。在實(shí)際煤礦巷道掘進(jìn)工作過(guò)程中，按照巷道的斷面規(guī)格以及掘進(jìn)工作距離來(lái)劃分施工區(qū)域，在不影響井下生產(chǎn)工作開(kāi)展的前提下，對(duì)原有的巷道進(jìn)行了全面優(yōu)化改進(jìn)。在煤礦開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中，采用新的支護(hù)方式進(jìn)行頂板區(qū)域的支護(hù)處理時(shí)，需要對(duì)巷道破碎頂板位置的具體情況進(jìn)行分析和研究，選擇更加科學(xué)合理的支護(hù)方式才能有效保證煤礦井下作業(yè)安全[3]。

3.2 橫架錨桿支護(hù)優(yōu)化

橫架錨桿支護(hù)方案是在原有的錨桿支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成的一種新型的復(fù)合式支護(hù)方式，需要結(jié)合具體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征以及巷道的實(shí)際施工條件進(jìn)行全面分析和研究，針對(duì)不同的地質(zhì)環(huán)境，設(shè)計(jì)出具有針對(duì)性的錨桿施工方案。在進(jìn)行橫架錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，需要將原有的錨桿材料更換為直徑22 mm，長(zhǎng)度為3.3 m 的加長(zhǎng)螺紋鋼錨桿，并在相鄰區(qū)域設(shè)置出1.5 m 長(zhǎng)的支撐體結(jié)構(gòu)。在實(shí)際巷道施工過(guò)程中，由于受到陷落柱構(gòu)造應(yīng)力影響，造成巷道破碎頂板和周圍圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大幅度的下沉現(xiàn)象，并且使得圍巖出現(xiàn)較為明顯的松動(dòng)情況。錨桿安裝工作結(jié)束之后需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)加固處理，并且對(duì)加固之后的錨桿進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)，確保錨桿加固質(zhì)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(shí)使用拉緊器設(shè)備將兩根輕腳錨桿之間直接進(jìn)行連接。橫架錨桿預(yù)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(yīng)力大小，因此可以實(shí)現(xiàn)削弱集中應(yīng)力對(duì)煤礦巷道頂板所產(chǎn)生的破壞性作用[4]。

3.3 π 型鋼棚支護(hù)結(jié)構(gòu)

為了有效保證破碎頂板位置的支護(hù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，相關(guān)施工人員在展開(kāi)永久性的支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，通過(guò)架設(shè)π 型鋼棚結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高煤礦巷道頂板的支護(hù)結(jié)構(gòu)效果。因?yàn)榫匦武撆镯斄旱某休d能力相對(duì)較弱，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板位置進(jìn)行永久性支護(hù)，對(duì)此相關(guān)工作人員在經(jīng)過(guò)研究分析之后，決定將原有的矩形鋼棚結(jié)構(gòu)改變成π 型鋼棚結(jié)構(gòu)。在支護(hù)工作過(guò)程中需要對(duì)鋼棚底板的位置進(jìn)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(chǔ)底座位置進(jìn)行澆筑工作，澆筑工作結(jié)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(jìn)行連接，和煤礦巷道的頂梁位置進(jìn)行充分加固處理，頂梁和頂板之間需要預(yù)留一定的間隙，通過(guò)使用兩組拉桿進(jìn)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(zhǎng)度為1 m，長(zhǎng)度為6 m，使用8 cm的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行覆蓋。當(dāng)π 型頂梁完成全部的架設(shè)工作之后，需要將π 型頂梁和π 型頂梁柱直接進(jìn)行連接，通過(guò)使用兩組拉桿直接進(jìn)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(wǎng)進(jìn)行覆蓋的過(guò)程中，需要將π 型柱子直接安裝在鋼筋網(wǎng)上，完成上述工作之后需要對(duì)鋼棚進(jìn)行全面加固處理，用四根直徑為Φ20 mm 的錨桿進(jìn)行錨固，將錨索長(zhǎng)度為12 m 直接安裝在鋼棚的正上方位置。

3.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

在煤礦巷道破碎頂板的支護(hù)工作中需要充分發(fā)揮出π 型鋼棚結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)作用，并且能夠進(jìn)一步提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)此，相關(guān)施工人員通過(guò)研究分析之后，將原有的矩形鋼棚結(jié)構(gòu)改變成π 型鋼棚結(jié)構(gòu)[5]。在鋼棚底板位置安裝一根Φ20 mm 的錨索，通過(guò)使用鋼絞線將錨索直接進(jìn)行連接，通過(guò)使用2 根Φ20 mm 的錨索將錨索直接進(jìn)行連接，同時(shí)對(duì)鋼棚底板位置進(jìn)行混凝土澆筑處理。當(dāng)煤礦巷道出現(xiàn)破碎情況時(shí)可以利用π 型頂梁作為主要支撐結(jié)構(gòu)。首先安裝第一架鋼棚，通過(guò)對(duì)π 型頂梁進(jìn)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(xù)安裝第二架鋼棚和第三架鋼棚，通過(guò)使用兩組拉桿直接進(jìn)行連接。

4 結(jié)語(yǔ)

該巷道經(jīng)過(guò)頂板位置的支護(hù)優(yōu)化改進(jìn)工作之后，已經(jīng)完全通過(guò)陷落柱應(yīng)力的影響區(qū)域，同時(shí)在針對(duì)應(yīng)力區(qū)域巷道頂板采用聯(lián)合支護(hù)工作方法之后，相關(guān)工作人員經(jīng)過(guò)一個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定性觀察，經(jīng)過(guò)儀器設(shè)備的監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)信息收集之后發(fā)現(xiàn)，在0～15 d范圍內(nèi)，因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)和頂板沒(méi)有完全達(dá)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(nèi)，頂板耦合支護(hù)作用起到了明顯的效果，可以有效控制頂板出現(xiàn)繼續(xù)下沉情況變形量有所降低。在25 d 之后，整個(gè)煤礦巷道頂板區(qū)域基本保持穩(wěn)定。因此，通過(guò)優(yōu)化支護(hù)方案之后，陷落柱應(yīng)力區(qū)域的頂板穩(wěn)定性得到了全面提高，支護(hù)工作效果達(dá)到預(yù)期。