厚煤层破碎顶板巷道断面及支护优化研究

牛国强

（潞安集团余吾煤业有限公司，山西 长治 046100）

1 概况

潞安集团余吾煤业有限公司N1206回风顺槽位于井田北风井西翼采区，巷道北接胶带大巷，南侧为实体煤，西侧为综采工作面，东侧为N1207回风顺槽，巷道设计总长度为927m，设计断面规格为宽×高=4.5×3.8m。

N1206回风顺槽掘进煤层为石炭系3#煤层，平均厚度为6.34m。煤层含有一层伪顶，主要以泥岩为主，平均厚度为0.8m；直接顶主要以泥岩与砂岩混合层为主，平均厚度为2.5m；基本顶主要以粗砂岩为主，平均厚度为9.1m。施工巷道从盘区回风巷沿3#煤层底板开口掘进，预留顶煤厚度为2.6m，巷道开口掘进30m及60m后分别与盘区轨道巷、胶带大巷贯通，然后构筑风桥后巷道继续掘进。

N1206回风顺槽初步支护设计中，顶板采用锚杆、锚索联合支护。每排布置5根锚杆，锚杆长度为2.0m，每排锚杆配套一根M型钢带，长度为4.2m，锚杆间排距为1.0m；顶板锚索长度为4.5m，每排布置三根，间距为1.8m，排距为3.0m，锚索外露端采用一根长度为0.6m工字钢梁及锁具进行预紧。

N1206回风顺槽采用综合机械化掘进施工工艺，巷道已掘进483m。根据余吾矿地测科提供资料显示，施工巷道掘进至470m处位于巷道北侧25m处揭露一条F3逆断层，断层落差为2.8m，倾角为42°，断层走向与巷道走向一致。受断层应力影响，施工巷道掘进至475m处进入应力破碎区，预计长度为31m。

施工巷道在470～483m掘进阶段，由于顶板压力大，顶煤承载能力低，出现严重破碎现象，原顶板支护失效现象严重。为了加强顶板稳定性，决定对顶板架设钢棚及施工加长锚索进行加强支护。但是由于钢棚属于被动支护，顶压加大时钢棚变形严重，同时受支护钻孔施工扰动破坏影响，在施工加长锚索时，进一步破坏了顶板整体性，造成顶板破碎范围扩大，未起到预期加强支护作用。

2 巷道断面及工艺优化

（1）为了提高顶板煤承载能力，降低垂直应力对顶板破坏作用，通过研究决定，对N1206回风顺槽应力破碎区域巷道断面进行优化。决定将应力区巷道设计为半圆拱形断面，巷道断面规格为宽×高=4.5×3.8m，其中上部拱形断面高度为2.25m，下部矩形断面高度为1.55m。半圆拱形断面松动爆破与机械联合掘进施工工艺。

（2）首先施工巷道半圆拱形断面的松动爆破钻孔，共计布置三排扇形松动爆破孔，每排布置10个爆破孔，孔排距为1.0m，炮孔深度为1.2m，炮孔垂直煤壁布置。

（3）为了保证拱形断面施工质量，爆破施工前在拱形外围施工一排扇形超前撞楔锚杆支护。共计施工15根，每排超前支护深度为1.2m，相邻两排超前支护交错布置。

（4）超前支护及松动爆破钻孔施工完后，对下部矩形断面采用掘进机掘进，单茬掘进深度为1.2m。

（5）下部断面机械掘进后，对上部拱形断面松动炮孔依次填装矿用乳化炸药及毫秒延期电雷管。每孔装药量不得大于300g，每孔封孔长度不得低于0.5m，爆破脚线采用串联连接方式，每次允许爆破炮孔数量不得超过5个。全断面掘进完成后及时清理工作面浮煤，并补打顶板永久支护。

（6）巷道在爆破施工前必须在所有可能进入爆破地点入口拦人设警戒，警戒距离不得低于120m。爆破施工时严格执行“一炮三检、三人连锁”放炮制度。

3 支护设计优化

为了提高应力区破碎顶板支护强度，减小钻孔施工扰动破坏影响，降低支护成本费用，决定对应力区巷道顶板采取锚棚联合支护技术。

3.1 施工工艺

（1）锚棚支护主要由U29型钢棚、锚索、连接杆、护板等部分组成。U29型钢棚主要由棚腿、顶梁、卡缆、连接杆等部分组成，顶梁共计焊制5个圆孔，孔径为40mm。

（2）巷道施工完后，在巷道两帮处安装U29型钢棚棚腿，棚腿长度为1.55m，棚腿安装后采用固定锚杆将棚腿与巷帮进行固定，如图1所示。

（3）两根棚腿安装后，将顶梁两端插入棚腿内，叠加长度不得低于0.2m，然后采用卡缆进行固定并进行预紧，预紧力不得低于200N·m。顶梁安装时保证顶梁面与巷道拱形面接触严实。

（4）一架拱形钢棚安装后，采用MT-30型风动钻机配套六棱中空钻杆，以及直径为30mm“八”字型钻头进行顶板钻孔施工，钻孔深度为8.0m，共计5个，钻孔与钢棚顶梁圆孔对应布置。

（5）顶板钻孔施工完后，在钻孔内依次填装锚固剂及长度为8.0m高强度预应力锚索，锚索外露长度为0.3m，外露端采用一根长度为0.25m工字钢梁及锁具将钢棚顶梁与顶板进行预紧，预紧力不得低于180kN。

（6）第一架锚棚支护施工完后，以相同工序施工第二架锚棚支护，棚间距为1.0m。相邻两架锚棚顶梁之间采用15根长度为1.0m、直径为22mm螺纹钢拉杆进行连接，螺纹拉杆与顶板预留间隙为0.15m，在栏杆与顶板之间安装长度为1.0m、宽度为0.2m钢筋水泥背板，使巷道顶板形成砌碹结构。

图1 N1206回风顺槽应力区破碎顶板锚棚支护示意图

3.2 锚棚支护技术优缺点

（1）降低支护成本。应力区破碎顶板传统支护设计中每米需施工5根单锚杆、一根M型钢带、一根锚索，在后期还需安装一架钢棚进行加强支护，支护成本费用2147元/m。采用锚棚支护技术后，巷道每米需施工5根单锚索以及一架U29型钢棚，支护成本费用为1050元/m，大大降低了巷道支护成本费用，而且与传统支护工艺相比，锚棚支护工艺简单，缩短了巷道支护时间。

（2）支护效果好。锚棚支护技术将钢棚与单锚索相结合对顶板进行联合支护，弥补了单一主动支护或被动支护的不足。通过主动与被动相结合的方式对顶板进行支护，改变了顶板力学性质，减小了顶板应力破坏作用，增加了顶板稳定性。

（3）应用领域广。锚棚支护不仅可用于掘进巷道破碎顶板中，而且还可用于其他工作面破碎顶板中，如大断面硐室、大断面切巷以及回采面端面破碎顶板中，同时在其他领域中也可进行应用，如隧道、石油、桥梁等，应用区域及前景广。

（4）存在的不足：①对钢棚架设技术要求相对严格，钢棚架设质量直接影响锚棚支护质量；②锚棚支护时劳动强度大，一架锚棚支护需4人配合施工；③锚棚支护施工完后10d内，需安排专人对锚棚进行观察，出现锚棚失效时必须及时更换。

4 结束语

对N1206回风顺槽应力区巷道断面进行优化，提出了锚棚支护技术。实际应用效果表明，半圆拱形断面降低了垂直应力对顶板破坏力度，提高了顶板支护效果，可节约成本费用达3.2万元。N1206回风顺槽过应力破碎区掘进速度由原来的2.4m/d提高至6.7m/d。在锚棚支护施工完后7d范围内，顶板出现局部下沉现象，最大下沉量仅为0.12m，锚棚支护未出现失效现象，取得了显著成效。