2204巷道破碎顶板支护设计优化

张彦宏

（大同煤矿集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037103）

1 概况

大同煤矿集团同发东周窑煤业有限公司2204巷位于井田二盘区，巷道东侧为二盘区胶带、辅运、回风大巷，南侧为二盘区5205巷。2204巷设计长度为1175m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5×3.5m，巷道掘进煤层为石炭系5#煤层，煤层平均厚度为11.5m。施工巷道沿5#煤层底板平行掘进，预留顶煤厚度为8m。5#煤层直接顶以含砾粗砂岩为主，平均厚度为2.51m；基本顶主要以粗砂岩为主，平均厚度为21.66m；直接底主要以砂质泥岩为主，平均厚度为3.38m。如表1所示。2204巷采用综合机械化掘进工艺，截至目前巷道已掘进至442m。

根据工作面物探资料显示，2204巷掘进至450m处揭露一条F5正断层。断层落差为2.4m，倾角为57°。受断层影响，2204巷顶煤完整性遭到破坏，在断层前后15m范围内形成应力破碎区，局部区域出现冒落现象，巷帮移近量达0.53m，底鼓量最大达0.47m。

表1 石炭系5#煤层顶底板岩性表

2 原支护设计及问题分析

2.1 应力破碎区顶板原支护设计

2204巷应力区顶板初步支护设计采用“JW型钢带+锚杆（索）+锚索吊棚”进行联合支护。

（1）JW型钢带。顶板JW型钢带长度为4.2m，宽度为0.28m，每根钢带上均匀焊制5个直径为30mm圆孔，孔间距0.9m，钢带垂直巷道布置，排距为1.0m。

（2）锚杆（索）。顶板采用长度为2.5m、直径为22mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆与JW型钢带配套使用，每排布置5根，锚杆与钢带之间采用钢方垫进行预紧；顶板锚索长度为5.3m，直径为17.8mm，每排布置3根，间距为1.6m，排距为3.0m，锚索施工在相邻两根钢带之间。

（3）锚索吊棚。顶板锚索吊棚主要由工字钢梁、两根锚索组成。工字钢梁长度为3.8m，锚索长度为5.0m，直径为17.8mm，锚索吊棚与钢带平行布置，吊棚排距为2.0m。

2.2 存在的主要问题

（1）顶板破坏严重。受构造应力及巷道开挖应力影响，在断层破碎区内巷道顶板应力集中现象明显，对顶板产生严重垂直破坏作用。而顶板采用锚杆、锚索、吊棚主要是对顶板进行悬吊作用，在集中应力作用下顶板岩体破碎范围逐渐扩大，形成岩体应力松动圈。当松动圈范围扩大至支护体锚固段时，支护体出现锚固失效现象，降低了支护体支护作用，从而造成顶板冒落事故发生。

（2）煤顶稳定性差。2204巷掘进煤层为石炭系不稳定煤层，预留顶煤厚度为8m，煤体结构复杂，含多层夹矸，造成煤层完整性差，局部出现煤岩分区现象。同时，5#煤体岩石普氏系数f=1.2，煤体单轴抗压强度相对较低，在集中应力作用下顶煤破碎严重，破坏了顶煤承载梁，降低了顶煤承载作用，从而无法实现锚杆对顶板产生悬吊梁作用。

（3）巷帮煤柱支撑强度低。2204巷两帮为全煤柱，煤柱支撑作用强度相对较低，在顶板应力作用下巷帮煤柱距顶1.5m范围内出现剥离破坏，煤柱破坏严重，煤柱出现收缩、插底现象，导致巷道围岩变形严重，底板出现鼓起。

（4）切顶破坏严重。在破碎顶板采用锚索吊棚进行加强支护时，由于吊棚支护断面相对较小，钢棚刚度大、韧性小，在对顶板进行支护时，钢梁对顶板出现切顶破坏现象，加剧了顶板破碎力度。

3 支护优化设计

为了保证2204巷后期巷道掘进安全，提高巷道掘进效率，对支护进行优化，决定采用“高预应力恒阻锚索桁架支护+双梁梯形钢棚支护”联合支护措施代替原锚索吊棚支护。

3.1 高预应力恒阻锚索桁架支护

（1）支护原理。通过对两根斜角锚索施加横向预应力，使两根锚索对顶板岩体产生一个仰斜作用力且与锚索钻孔垂直，两个仰斜作用力合力垂直向上，从而削弱顶板垂直向下的应力，降低应力对顶板破坏作用。

（2）支护材料。高预应力恒阻锚索两根，锚索长度为10m，直径为21.6mm；双向张拉器一个；桁架圆杆托架两根，每根长度为1.5m，直径为20mm；MSKC23/35超快型、MSK23/60快速型锚固剂若干根。

（3）支护工艺。① 首先对顶板施工一排锚索钻孔，钻孔施工在相邻两根钢带之间，锚索间距为2.5m，钻孔深度为10m，钻孔终孔位置位于直接顶稳定岩层内，钻孔倾角视顶板应力大小进行确定，2204巷桁架锚索与顶板夹角为75°；② 钻孔施工完后对钻孔依次填装三支锚固剂以及恒阻锚索并进行锚固，锚索外露长度控制在0.3m左右；③ 锚索安装后对两根外露端分别安装一根圆钢托架，并采用锁具进行固定，在两根圆钢托架另一端安装一个双向张拉器，并进行张拉预紧，如图1所示。

图1 2204巷破碎顶板高预应力恒阻锚索桁架支护示意图

3.2 双梁梯形钢棚支护

为降低巷帮煤柱支撑应力，决定对2204巷应力区支设双梁梯形钢棚支护。

（1）2204巷双梁梯形钢棚主要由双梯形顶梁、梯形棚腿、底座、连接螺母等部分组成。其中底座长度为2.0m，宽度为0.3m，为了联锁保护作用，两架钢棚共用一组底座；顶梁采用两根长度为4.2m、宽度为0.20m槽钢，以及5根长度为0.5m、宽度为0.1m槽钢组成，顶梁呈“梯子”型；棚腿由11#槽钢焊制而成，长度为3.6m，棚腿架设斜角为80°。如图2所示。

（2）首先在工作面5.0m巷帮处安装棚腿底座，每架底座采用地锚与底板进行固定，相邻两架底座叠加布置。

（3）底座固定后将两根棚腿分别与底座进行固定，棚腿与底座之间采用四根地锚进行固定。棚腿安装后在棚腿上方安装一根梯形顶梁，顶梁与棚腿之间采用连接螺母进行固定。如图2所示。

（4）钢棚排距为2.0m，钢棚安装后保证顶梁与顶板接触严实，不接顶处采用水泥背板进行填充。钢棚架设后对钢棚变形情况进行实时观察，在过断层前后3.0m处顶板应力相对较大，若钢棚发现变形现象时应及时调整梯形棚腿安装角度。

图2 双梁梯形钢棚支护断面示意图

4 结论

针对2204巷过断层期间顶板下沉破碎、巷帮变形、底板鼓起现象，对原支护设计主要存在的问题进行合理分析，并进行优化，提出了“高预应力恒阻锚索桁架支护+双梁梯形钢棚支护”联合支护措施，通过实际应用取得显著成效。

（1）通过施工高预应力恒阻锚索桁架支护，不仅起到了锚索悬吊支护作用，而且通过人工施加的张紧力，使锚索被动产生向上的作用力，削弱了集中垂直应力对顶板破坏作用。采取高预应力恒阻锚索桁架支护，控制了顶板破碎、冒落现象，顶板下沉量控制在0.12m以下，保证了顶板永久支护质量。

（2）与传统锚索吊棚相比，双梁梯形钢棚对顶板支护断面大，支护效果好，有效防止对顶板产生的切顶破坏。同时钢棚采用的是梯形断面，与矩形断面相比承载能力强，可适用于冲击应力大区域。采取双梁梯形钢棚后控制了巷帮煤柱变形，巷帮移近量控制在0.31m以下，底鼓量控制在0.25m以下。