復雜條件的掘進巷道頂板支護優化設計
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摘要：針對長平煤礦53031巷掘進中過構造應力區時頂板支護施工難度大、支護效果差等現象，為了進一步提高復雜條件下巷道頂板穩定性，控制頂板破碎、離層、變形等現象，通過技術研究，從原巷道頂板支護設計入手，分析了頂板支護主要存在的問題，并根據實際生產情況，對頂板支護進行了優化設計。從實際應用效果來看，優化后的頂板支護大大提高了頂板穩定性，滿足破碎頂板支護需求。
巷道掘進過程中受煤層結構、地質構造、施工工藝等影響，出現頂板下沉、煤壁片幫、巷道成型差、支護難度大等技術難題，導致傳統單錨桿、錨索支護無法滿足復雜條件下巷道支護要求，不利于頂板的安全維護，很容易引發巷道頂板事故[1]。因此對于復雜條件下的巷道掘進，必須合理優化巷道頂板支護設計，采取合理有效的支護措施對頂板松動圍巖進行維護。本文以山西晉煤集團長平煤業有限責任公司53031巷為例，對原巷道頂板支護設計主要存在的問題進行分析，并根據實際情況對頂板支護進行優化，確保巷道安全快速掘進。
1概述
山西晉煤集團長平煤業有限責任公司53031巷位于井田五盤區，巷道北部為實煤區，東部為53041巷，南部為五盤區大巷，西部為8303工作面。53031巷主要擔負8303工作面回風任務，巷道設計長度為1400m，巷道設計斷面規格為4.5m×4.0m（寬×高），施工巷道沿石炭系3#煤層頂板掘進，煤層平均厚度為5.95m。53031巷直接頂主要以泥巖、砂巖及煤混合巖層為主，總厚度為2.3m，其中，煤層厚度為0.5m（不可采），巖體互層膠結；直接頂主要以粗砂巖、K4灰巖為主，總厚度為11.4m。截至2019年6月11日，53031巷已掘進469m，根據《山西長平煤業有限責任公司五盤區第二回風巷掘進地質說明書》，巷道掘進至480m處時在北側揭露一條DX177陷落柱，該陷落柱長軸為68m，短軸為50m。受陷落柱影響，巷道掘進至460m處時頂板出現破碎現象，巷道掘進至465m處時局部頂板支護出現失效現象，原頂板錨桿支護無法滿足破碎頂板支護需求。
2原巷道頂板支護設計及問題分析
2.1原巷道頂板支護設計
a)頂板錨桿。原巷道頂板每排布置5根單錨桿，錨桿長度為2.5m，排距為1.0m，間距為1.0m，每根錨桿外露端安裝一根長度為0.45m、寬度為0.25m的W型鋼帶。b)頂板錨索。原巷道頂板每排布置2根錨索，錨索間距為2.0m，排距為3.0m，長度為5.0m，直徑為17.8mm，每根錨索外露端安裝一根長度為1.2m的工字鋼梁。
2.2頂板支護主要存在的問題
a)支護設計不合理。原支護設計中雖然頂板支護數量滿足實際支護需求，但是支護設計中未嚴格按照頂板巖性及頂板破碎情況合理設置頂板錨桿、錨索數量，頂板支護體數量設置盲目性大，不僅增加了頂板支護成本，加大了支護作業強度，而且在施工支護鉆孔中鉆機破巖時產生擾動破壞作用[2]，增大了頂板巖體破壞程度。b)頂板支護強度低。原頂板支護中錨桿長度為2.5m，采用端頭錨固方式，錨固長度為0.9m，錨固端位于直接頂與基本頂之間，當直接頂與基本頂出現離層時，錨桿出現失效現象；原頂板支護中錨索抗拉強度為1860MPa，當頂板下沉時，錨索出現抗拉強度不足現象，導致錨桿斷裂[3]。
3頂板支護優化設計
為了保證53031巷安全快速過DX177陷落柱應力區，提高應力區頂板穩定性，通過研究，決定對原巷道頂板支護中錨桿、錨索布置參數進行合理優化。3.1頂板錨桿優化a)為了進一步增強錨桿對頂板的懸吊作用，通過優化，決定對頂板施工柔性錨桿，該錨桿主要由長度為3.5m、直徑為18mm的鋼絞線制成，每排布置4根，間距為1.3m，排距為1.2m。每根柔性錨桿采用3支錨固劑錨固，錨桿施工后保證與頂板巖體面垂直。b)同一排柔性錨桿施工完成后在其外露端安裝一根長度為4.2m、寬度為0.32m的鋼帶，并采用鋼方墊、鎖具預緊。
3.2頂板錨索優化
a)對于頂板錨索的優化，采用長度為8.0m、直徑為22mm的恒阻大變形錨索，每排布置3根，布置間距為1.8m，排距為3.0m。b)為了防止傳統工字鋼梁對頂板產生切頂破壞，增大支護斷面，決定在同一排錨索外露端安裝一根長度為3.8m、寬度為0.5m的多筋梯形梁，并采用鋼方墊、鎖具預緊。
3.3頂板金屬網優化
由于傳統的菱形金屬網采用8#鉛絲編制而成，將該金屬網應用于破碎頂板中時，會出現網與頂板接觸不嚴實，網剛度低，變形嚴重的情況。為此，決定對應力區頂板采用鋼筋網，每片鋼筋網規格為2.4m×1.4m（長×寬），鋼筋網主要由直徑為14mm的圓鋼焊制而成，該鋼筋網具有抗壓強度高、不易變形等優點，可用于復雜巷道大變形頂板支護中[4]。
3.4桁架錨索支護
通過觀察應力區頂板發現，巷道出現下沉時頂板中部下沉量最大，要想控制頂板中部下沉現象，必須對巷道中部實施桁架錨索支護。a)每架桁架錨索支護體主要由2根錨索、2根拉桿以及1個雙向張拉器等部分組成[5]，錨索長度為4.0m，直徑為17.8mm，每根拉桿長度為0.8m。b)桁架錨索支護結構與巷道走向平行布置，每排施工2架桁架錨索支護體，排距為1.5m，間距為1.2m，如圖1所示。
4實際應用效果分析
截至2019年6月18日，53031巷已完全過陷落柱應力區，巷道頂板巖體區域穩定。在對陷落柱應力區巷道頂板支護進行優化設計后，通過后期觀察發現，支護優化后頂板破碎、下沉現象得到了有效控制，頂板下沉量控制在0.12m以下，支護失效率控制在4%以下，避免了傳統支護設計支護失效嚴重、支護強度低等技術難題，大大提升了破碎頂板支護效果。
5結語
山西晉煤集團長平煤業有限責任公司針對53031巷過陷落柱應力區時頂板出現的破碎、下沉現象，為了彌補傳統支護設計的不足，通過技術研究，對原頂板支護進行了優化。從實際應用效果來看，優化后的支護設計滿足破碎區頂板支護要求，能夠對不穩定頂板進行有效支護，保證了巷道的安全快速掘進，取得了顯著的應用成效。
參考文獻：
［1］李翔.井下巷道掘進頂板支護技術探討［J］.當代化工研究，2019(14)：51-52.
［2］李志華.掘進巷道過斷層工藝優化研究［J］.內蒙古石油化工，2019(6)：23-24.
［3］劉星星.掘進巷道過斷層破碎帶支護工藝優化設計［J］.山東煤炭科技，2018(9)：34-35.
［4］劉星.西銘礦42208工作面巷道頂板支護設計［J］.煤礦現代化，2018(4)：41-43.
［5］梁雷.復雜條件下煤巷掘進與支護技術［J］.煤炭技術，2017(9)：91-93.
作者：陳雪嘯 單位：山西晉煤集團長平煤業有限責任公司
