交叉索棚支护装置在巷道掘进中的应用

田晓强

（大同煤矿集团虎龙沟煤业公司， 山西 朔州 036000）

1 21505 巷道概况

大同煤矿集团虎龙沟煤业公司21505 巷位于井田东盘区，工作面东部为实煤区，南部与盘区东轨道大巷相接，西部邻近81503 工作面采空区，北部邻近塔山煤矿二盘区。

21505 巷主要担负着81505 工作面回采期间进风及煤炭运输任务，巷道设计长度为1 471 m，宽度为4.2 m，高度为3.6 m，巷道掘进煤层为石炭系3 号-5 号煤层，平均厚度为12.73 m，煤层直接顶主要为高岭质泥岩，平均厚度1.9 m，基本顶主要以粗砂岩为主，平均厚度为17 m，施工巷道沿3 号-5 号煤层底板平行掘进，预留顶煤。

21505 巷采用综合机械化掘进施工工艺，巷道掘进至680 m 处预计揭露一条F3 正断层，断层落差为1.7 m，倾角为50°。受断层应力影响，巷道掘进在660～700 m 范围内巷道顶煤预留难度大，出现局部破碎甚至冒漏现象，传统锚杆、锚索支护在破碎煤顶中支护效果差，无法对顶板进行加固维护。针对这一技术难题，机掘一队通过技术研究，决定采用交叉索棚支护装置对断层带处破碎顶板进行维护[1]。

2 破碎顶板原支护设计及问题分析

2.1 巷道原顶板支护设计

21505 巷在过断层期间初步支护设计中顶板采用锚杆、钢带及密集锚索吊棚的方式进行支护。

2.1.1 锚杆、钢带支护

1）顶板锚杆：该工作面支护采用直径、长度分别为22 mm 与2.5 m 的左旋螺纹钢锚杆，施工人员在每排施工5 根锚杆，锚杆间距为0.9 m，相邻两排间距为1.0 m，每根锚杆要配套两支锚固剂进行锚固[2]。

2）顶板钢带采用“W”型高强度材质，钢带的长度与宽度分别为3 m×0.3 m，每根钢带上施工5 个锚杆孔，相邻两排间距为0.8 m。

2.1.2 锚索吊棚支护

1）锚索吊棚由一根工字钢梁与三根钢绞线组成，工字钢梁的长度为4.0 m，钢绞线为5.0 m，同时在工字钢梁上施工三个圆孔，圆孔的直径与间距分别为30 mm×1.8 m。

2）锚索吊棚垂直安装于巷道顶部，施工人员从距离工作面300 m 处开始安装锚索吊棚，相邻两排吊棚间距为1.0 m，使用锚索、锁具将锚索吊棚与破碎顶板紧固，如果锚索吊棚与顶板不接触时，可以采用木板、水泥背板垫实[3]。

2.2 传统支护设计缺点

2.2.1 成本高、人员数量多

由于2222 工作面巷道顶板破碎严重，从距离工作面300 m 开始，顶板破碎区域长度为100 m。如果使用锚索吊棚对顶板进行支护，则需安装锚索吊棚70 架，按照每个锚索吊棚成本600 元算，共需4.2 万元，每架锚索吊棚的长度质量为19 kg/m，每安装一架锚索吊棚需要6 个人同时作业，根据安装工期，每天只能安装5 架，这就造成人员数量多，而且安装速度慢。

2.2.2 支护效果差

锚索吊棚起吊需使用6 m 的锚索，而2222 工作面巷道顶板的厚度为4 m 且顶板有破碎，顶板煤壁不能对锚索产生有效的拉力，再加上由于采动影响造成顶板岩石稳定性差，锚索吊棚会加剧顶板向深部破碎[4]。

2.2.3 切顶严重

锚索吊棚采用线性支护，支护断面比较小、柔性较低，当巷道顶板压力增大时，锚索吊棚对顶板不仅起不到柔性支护，还会直接对顶板产生刚性切顶。通过对2222 工作面的观察，由于受锚索吊棚刚性切顶影响，两架钢棚间的顶板出现破碎严重、顶板下沉的情况。

3 交叉组合索棚支护装置的设计

技术人员通过对传统锚索吊棚工作原理及使用成本分析，采用新型交叉组合索棚支护装置对工作面巷道顶板进行支护。

1）交叉索棚支护装置主要是由2 根“JW”型钢梁、2 根槽钢横梁、4 根槽钢棚腿及5 根锚索组成，槽钢横梁的长为4.0 m，槽钢棚腿的长为3.6 m，锚索的长为8 m，“JW”型钢梁的长为5 m，宽为0.28 m，厚为0.05 m，同时在钢梁上施工三个锚索孔，如图1 所示，每架交叉索棚支护装置能够对3.0 m 范围内的顶板进行支护[5]。

图1 21505 巷破碎顶板交叉索棚支护装置支护示意图（单位：mm）

2）施工人员首先要在巷道顶板破碎区域安装一根“JW”型钢梁，钢梁与巷帮的夹角要控制在55°，使用2 根锚索及锁具将JW”型钢梁与顶板进行紧固，在第一根钢梁安装完毕后才能安装第二根刚梁，且两根钢梁需交叉安装，交叉点可以使用锚索穿插后与顶板进行固定。

3）待钢梁安装完毕后，在钢梁下面安装两架槽钢棚，槽钢棚顶梁要与巷道保持垂直，第一架槽钢棚需安装在钢梁交叉点1 m 处，同时相邻两架槽钢棚的距离要控制在2.0 m。

4）相邻两个交叉索棚的距离为1.0 m，按照破碎区域计算，需安装15 架交叉索棚对顶板进行支护，为了增加支护的可靠性，还需施工人员在相邻槽钢棚棚腿间安装两套圆钢托架，圆钢托架的直径与长度分别为20 mm×2.0 m。

5）当破碎区域的所有交叉索棚安装完毕后，需定期对交叉索棚进行检查，发现顶板继续下沉，槽钢棚不接顶时要及时采用工字钢与顶板垫实。

4 结语

龙虎沟矿21505 巷使用新型交叉组合索棚支护装置后，顶板在破碎、下沉以及人员劳动强度方面取得了很好的效果。

1）与传统支护工艺采用的工字钢相比，新型支护方式采用的钢梁重量为原来的一半，这样能够大大降低工作人员的劳动强度和人员数量。

2）按照破碎区域计算，需安装15 架交叉索棚对顶板进行支护，按照每个交叉组合索棚成本500 元算，共需7.5 万元，大大降低了支护的成本。

3）新型交叉组合索棚支护方式还具有支护长度长、柔性强的特点，利用钢梁交叉式布置与槽钢棚搭配，对顶板破碎严重的区域具有很好的支护效果。

4）槽钢棚能够有效缓解顶板垂直应力与两帮压力，有效防止了巷道变形，不仅对顶板能够起到柔性支护，还不会直接对顶板产生刚性切顶。

5）21505 巷在长度为40 m 破碎区域使用新型支护装置后，后期一直没有出现顶板破碎下沉情况，有效地将顶板及巷道两侧的变形量控制在可控范围内。