巷道破碎顶板支护问题分析及优化改进

郭剑如

（山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

长平煤矿43221巷设计长度为1 400 m，巷道断面规格为宽×高=5.0 m×3.6 m，掘进煤层为3号层，施工巷道沿3号煤层顶板掘进，煤层直接顶主要以砂质泥岩、细砂岩为主，平均厚度为4.7 m，基本顶主要以砂岩为主，平均厚度为11.4 m，截至目前巷道已掘进510 m。

43221巷掘进至502 m时，位于巷道北侧45 m处存在一条X7陷落柱，陷落柱成椭圆状，长轴长为54 m，短轴长为23 m，长轴与43221巷成31°夹角，陷落柱与巷道最短距离为15.4 m。当巷道掘进至507 m时受陷落柱构造应力影响，巷道顶板出现破碎现象，且随着巷道不断延伸，巷道与陷落柱距离缩小，巷道受应力影响逐渐加大，当巷道掘进至510 m处时顶板出现大面积破碎现象，甚至出现离层，导致巷道原支护失效率高，原支护已不能满足巷道地安全高效掘进。对此，长平煤矿生产管理部通过技术研究，分析了原顶板支护主要存在的问题，并对其进行合理优化。

1 原顶板支护设计及问题分析

1.1 43221巷原顶板支护设计

43221巷原顶板支护主要是采用锚杆、锚索、钢带、金属网联合支护设计。

1）顶板支护的锚杆采用规格是直径、长度分别为22 mm、2.4 m的高强度螺纹钢锚杆，顶板每排5根，相邻两根锚杆的距离为1.1 m，相邻两排锚杆的距离为1.0 m。

2）支护使用的钢带为“W”型钢带，钢带长、宽分别为4.8 m、0.25 m，将五根锚杆安装在一根钢带上并进行锚固，相邻两根钢带的距离为1.0 m。

3）预应力钢绞线的规格为直径、长度分别为17.8mm、5.0 m，每排布置3根，相邻两根锚索的距离为2.0 m，相邻两排锚索的距离为3.0 m，并采用边长为0.3 m的钢方垫及锁具对锚索的外露端进行紧固。

1.2 原支护主要存在问题

1）随着巷道地不断掘进延伸，与X7陷落柱距离逐渐缩小，导致巷道所受构造应力逐渐加大，并在巷道顶板形成应力集中区。通过对应力区顶板破碎及片帮情况分析，陷落柱残余应力主要集中在顶板中部位置，导致顶板中部出现比较明显的下沉及破碎现象，而且破碎区域向煤层深处不断延伸，破碎范围已经扩大到顶板往上2.6 m的位置，而之前支护材料使用的锚杆长度仅为2.4 m，锚杆的锚固段位于破碎区内，导致锚杆失效现象严重。

2）掘进工作面在推进时，受陷落柱构造应力作用，巷道应力区内围岩的胶结性下降，顶板会出现破碎及下沉的情况。若仅仅采用钢带已经无法对破碎顶板进行有效地支护，且随着工作面的继续推进，顶板压力会越来越大，钢带的变形也会更加严重。

3）巷道应力区段内，原支护的锚索锚固端位于直接顶与基本顶间，由于直接顶与基本顶已经离层，锚索也已经失去了锚固效果，且由于原设计的锚索直径较小，屈服强度较低，这样会导致锚索因拉力过大而发生断裂。

2 43221巷顶板支护优化改进

2.1 原顶板永久支护优化设计

1）为了确保优化后的支护能够对巷道破碎顶板起到永久支护，将原顶板锚索更换为直径、长度分别为21.6 mm、8.3 m的恒组锚索，并要求作业人员通过缩减锚固距离来提高锚固质量，将相邻两排锚索的距离由原来的3.0 m缩减为2.0 m。

2）将原锚杆更换为规格是直径、长度分别为22 mm、3.2 m的加长螺纹钢锚杆，并为每根锚杆配套三支快速锚固剂，锚杆间排距不变。

2.2 桁架锚杆支护

1）43221巷顶板应力集中区的顶板桁架锚杆主要由以下部件组成：倾角锚杆（2根）、拉杆（2根）、拉紧器（1个）及钢垫片。

2）当工作面推进至应力集中区，且巷道破碎区域的永久支护安装完毕后，在相邻两排钢带中间位置且距巷帮1.0 m处各钻一个与巷道顶板呈60°角的锚杆钻孔，并在钻孔内注入一根长3.0 m的桁架锚杆。

3）锚杆安装完毕要及时进行锚固，并对锚固后的锚杆做拉拔试验，确保锚固质量能够达到标准要求，之后在锚固端安装一根拉杆，并用拉紧器将两根倾角锚杆连接预紧。

4）桁架锚杆预紧后产生的合力能够有效抵消破碎顶板的垂直应力，从而达到削弱集中应力对顶板的破坏作用，桁架锚杆支护原理如图1所示。

图1 桁架锚杆支护原理示意图

2.3 π型钢棚支护

为了确保破碎顶板的支护强度，施工人员应在永久支护的基础上架设π型钢棚来提高支护稳定性。

1）由于矩形钢棚顶梁承载能力差，不能对顶板进行有效支护，因此技术人员决定改用π型钢棚。π型钢棚主要由以下部件组成：棚腿（4节）、π型顶梁（1节）、卡缆。棚腿下端还需配套一块长宽分别为0.3 m的底座。

2）为了能够确保棚腿的稳定性，需对钢棚底板处进行起底浇筑施工，起底深度为0.2 m，底座安装在起底处并进行浇筑，浇筑后保证底座平整。

3）完成以上工序后，将π型顶梁安放在棚腿上，并用卡缆将棚腿与顶梁紧固，顶梁与顶板需留有一定的间隙，相邻两架钢棚的距离为2.0 m。

4）连续安装完三架钢棚后，在钢棚的顶部继续安装横梁，横梁的安装角度需与π型顶梁保持垂直，每五根横梁为一组安装在钢棚上方，相邻横梁的距离为1.0 m。

5）完成横梁的安装后，需在横梁与底板的间隙中填加长为4.8 m、宽为0.5 m的水泥背板，水泥背板与π型顶梁平行放置，通过调节π型顶梁来确保顶板与背板接触严密，最后在相邻两架钢棚之间通过两组拉杆连接，以增加钢棚之间相互的稳定性。π型钢棚支护示意图如图2所示。

图2 43211巷应力区顶板“π”型钢棚支护断面示意图（未标单位：mm）

3 结语

截至2019年6月24日43221巷已完全过X7陷落柱应力影响区。对应力区巷道顶板采取联合支护技术后，通过30 d的现场观察以及安装顶板离层仪数据记录发现：在0~15 d范围内由于支护与顶板未达到完全耦合作用，顶板塑性变形相对严重，顶板下沉量为0.14 m；在15~25 d范围内顶板耦合支护作用很好地控制了顶板下沉、变形现象，顶板下沉量逐渐减小；在25 d以后顶板区域稳定。因此，采用“桁架锚索支护+π型钢棚”联合支护技术使得陷落柱应力区顶板的稳定性大大提高，应用效果明显。