碎顶巷道架棚支护向新型锚网索支护转换的研究

张经纬

（汾西矿业集团公司水峪煤业， 山西 孝义 032300）

引言

井工煤矿采掘顶板支护主要包括采煤工作面顶板支护及巷道支护两部分，采煤工作面的顶板支护随着综采液压支架的不断发展，其支护工艺及支护效率已取得较大进步。巷道支护处于地质软岩、裂隙发育、破碎顶板、顶板淋水等特殊条件下的巷道，其巷道的快速掘进及有效支护仍面临诸多困难[1-2]。本文针对某矿10110工作面运输顺槽的顶板支护展开研究，对传统工字钢架棚支护工艺进行革新及优化，通过设计并实践应用新型锚网索支护工艺，以达到对其淋水破碎顶板的有效支护。

1 工程概况

该矿10110工作面开采太原组10号煤层，煤层厚度范围1.8～3.4m，平均2.7m，煤层倾角范围2°～9°，平均5°，赋存较为稳定。10号煤层直接顶为粉砂岩，局部为泥岩，水平层理发育，厚度范围1.4～3.2 m，平均2.2 m，其上部为平均厚度仅1 m的9号煤层；煤层老顶为深灰色石灰岩，厚度范围3～15 m，平均为9 m，为致密块状，岩性较坚硬，裂隙中充填方解石脉；直接底为粉砂岩，平均厚度约4 m，局部为泥岩。10110工作面运输顺槽初始设计为梯形断面，采用11号矿用工字钢架棚支护，棚梁上净宽3m，下净宽3.8 m，净高2.5 m，棚距0.8 m，顶梁背顶串杆6根均匀布置，两帮背帮串杆各4根均匀布置，顶部铺设金属网，巷道沿10号煤层顶板掘进。

2 工字钢架棚支护现状

经过现场工程实践调研，10110运输顺槽的巷道围岩支护主要存在以下特点及难点：该巷道直接顶为裂隙较发育的粉砂岩，经巷道掘进时期的应力扰动，顶板较为破碎，承载能力及自稳能力差，加之局部直接顶为泥岩，在顶板水的作用下膨胀弱化，使顶板的完整性及强度降低；由于本巷道老顶为富水性较强的K2石灰岩，顶板水沿裂隙涌入，顶板水对裂隙及泥岩的侵蚀，加剧了顶板的膨胀及破碎；由于特定的顶板厚度及岩性分析，如采用常规锚杆支护，无稳定岩层进行悬吊锚固，其层理发育的直接顶及9号煤层易发生离层甚至失稳垮冒。

而初始设计的工字钢架棚支护，在施工及使用过程中发现其主要存在以下缺陷。工字钢架棚支护属于被动支护，不能及时给围岩施加主动支护力，增阻速度慢且工作阻力小；工字钢架棚支护的实际支护状态与理想状态差距较大，如图1所示，工字钢棚与顶、帮往往不是全面接实，而是呈现点接实或局部接实，因而难以发挥出其强度和承载能力；淋水顶板变形较大，容易造成棚梁中部等区域出现应力集中，棚梁变形，并导致顶板离层，于围岩控制不利；掘进支护期间速度慢，效率低，劳动强度大，材料成本高，掘进断面利用率低[3-4]；前期支护效果监测表明，掘进后1个月内工字钢棚变形，顶板平均下沉量达50mm，受临近工作面动压影响后的下沉量达200～300mm，造成棚梁弯沉、扭转、支护失效，陷入前方掘进、后方维修的不利局面。

图1 工字钢架棚支护示意图

综上所述，基于10110运输顺槽的地质生产条件及前期支护实践，工字钢架棚支护对该巷道的淋水、破碎顶板支护效果不佳，巷道掘进速度慢，后期维护成本高，无法保证采掘工作的高产高效。

3 锚网索新型支护方案设计

3.1 支护方案设计原则

锚杆索支护技术近年来在我国得到广泛应用，相比于传统的金属支架支护，其具有承载力强、主动预紧力高、围岩自稳性高、施工快、劳动强度低等优点，对于本矿10110运输顺槽，若采用锚杆索配合挂网支护，应掌握以下原则。第一，充分利用锚杆索支护的主动性，将锚固范围内的围岩形成一个整体，提高围岩的自稳能力及承载能力；第二，考虑到普通锚杆支护无稳定岩层进行锚固，可充分借助锚索支护的长度优势，将锚固区延伸至顶板上位稳定岩层中，从而将锚杆锚固形成的浅部围岩与锚索锚固形成的深部围岩连接成一个稳定的大锚固体，即根据直接顶平均厚3.5 m，锚索锚固点应深入稳定岩层中至少1 m原则，顶板单体锚索长度应大于4.5 m；第三，针对淋水型顶板，应使用防水性锚固剂进行锚固，并采取加长锚固、打泄水孔等措施，将淋水对支护的影响降至最低；第四，针对煤矸破碎顶板，还应加强金属网的使用，对破碎顶板进行包裹，防止煤矸坠落；第五，采用先进可靠的锚杆索施工机具及可靠的监测手段，对顶板离层、围岩位移等进行监测，确保支护性能达标[5-6]。

3.2 新型支护方案设计及参数说明

参考其他矿井类似成熟经验，结合数值模拟对支护密度对强度的模拟参数，设计巷道掘进采用矩形断面，采用新型防水锚固剂、高强度锚杆、金属网、钢筋梯子梁、小孔径预应力锚索的联合支护总体方案，设计的支护方案如图2所示。支护方案及参数说明：顶锚杆每根使用CK2340、K2340（2支）树脂药卷，锚固长度1200mm，预紧力矩不低于180 N·m，间排距850mm；顶锚索采用高强度低松弛预应力钢绞线，树脂加长防水锚固剂FSCK2340、FSK2340（3支），锚固长度1600mm，预紧力不低于200 kN，排距1700mm；帮锚杆分别使用玻璃钢及普通麻花锚杆，选用3800mm×1000mm菱形金属网及Φ12mm的钢筋焊接的钢筋梯子梁；对于顶、帮淋水严重区域，锚杆也采用防水锚固剂。

4 应用实践分析

该矿暂停工字钢架棚支护，在100 m的巷道试验段采用锚网索新型支护方案进行支护，对围岩的离层值、顶底板移近量、两帮移近量的连续观测80 d，顶板离层值锚索锚固区控制在5mm以内，锚杆锚固区控制在6mm以内；顶底板移近量控制在150mm以内，平均72mm；两帮移近量控制在120mm以内，平均58mm。围岩变形控制效果良好，表明10110运输顺槽的试验段采用锚网索新型支护方案取得了良好的支护效果。

图2 锚网索新型支护方案布置图（未标单位：mm）

5 结论

10110运输顺槽的掘进支护面临诸多困难，传统的工字钢架棚支护存在被动支护、顶板离层、围岩变形、棚梁变形、支护失效等缺陷，工字钢架棚支护对该巷道的淋水、破碎顶板支护效果不佳。针对具体的工程问题，设计出采用新型防水锚固剂、高强度锚杆、金属网、钢筋梯子梁、小孔径预应力锚索的锚网索新型支护方案，通过防水锚固剂的使用及延长锚固长度，在100 m的巷道试验段内取得了良好的围岩控制及巷道支护效果，并在10110运输顺槽的后期掘进中得到了推广应用。