巷道过应力破碎区超前支护装置应用分析

梁佳宇

（大同煤矿集团同安煤业有限责任公司， 山西 吕梁 033500）

1 巷道概况

大同煤矿集团同安煤业有限责任公司总回风巷北接回风立井马头门总回巷开口（坐标为：x=4229127.5，y=564 418.829，z=742.7），该巷南部42.72 m为4号层回风大巷（未掘），西部、东部为实体区。

总回风巷设计长度为1 200 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘进煤层为山西组4号煤层，煤层厚度5.71～8.08 m，平均厚7.56 m，煤层由南向北逐渐变厚，全井田稳定可采，煤层结构简单—极复杂，含0～8层夹矸，单层夹矸最大厚度为0.52 m。煤层顶板岩性为砂质泥岩、粉砂岩、泥岩，老顶为细砂岩；底板岩性为细砂岩、砂质泥岩、泥岩。总回风采用综合机械化掘进施工工艺，采用EBZ210型掘进机割煤，采用SSJ-800型带式输送机运输煤矸石，截止目前巷道已掘进450 m[1]。

巷道掘进至440 m处揭露一条正断层，断层落差为1.5 m，断层平均倾角为47°，在断层作用下破坏了原巷道顶板连续稳定性，导致巷道顶板出现应力破坏现象，巷道顶板维护难度大，掘进效率低。

2 巷道过应力破碎区主要存在的技术难题

总回风巷采用掘进机掘进，单茬掘进量为0.6 m，工作面最大空顶距为1.3 m，巷道掘进后及时对顶板施工锚杆、锚索支护。但是由于在应力区巷道，顶板破碎严重，在顶板永久支护施工时存在一些技术难题，主要表现在以下几方面：

1）顶板稳定性差。受断层影响，在断层前后15 m范围内顶板相对破碎严重，并在断层处形成卸压空间，随着巷道的开拓延伸，顶板破碎范围逐渐扩大，巷道掘进后在施工永久支护时不仅施工难度大，而且施工危险系数高，不利于对巷道进行安全快速支护。

2）空顶面积大。巷道在过断层应力区时，顶板集中应力明显，导致顶板出现下沉现象，同时集中应力向迎头煤壁传递，而总回风巷掘进的4号煤层属石炭系煤层，煤层胶结稳定性差，煤体单轴抗压强度不足20 MPa，迎头煤体在应力作用下出现片帮现象，增加顶板空顶距，巷道在初期过应力区顶板最大空顶距为2.4 m。

3）支护时间长。由于应力区顶板破碎相对严重，在破碎顶板进行钻孔施工时钻孔施工难度大，钻孔施工周期长，导致锚杆支护难度大，顶板空顶时间长，造成顶板进行永久支护时危险系数高。

3 丝杠式超前支护的应用

为了解决应力区巷道顶板破碎区支护难题，同安煤矿安监站通过技术研究，决定对应力区破碎顶板采用一套丝杠式超前支护。

3.1 丝杠式超前支护结构组成

1）总回风应力区顶板采用的丝杠式永久支护主要由前探支护梁、承载梁、丝杠、固定环等部分组成；其中前探支护梁共计四根，每根长度为4.0 m，承载梁共计三根，长度为4.5 m。

2）前探支护梁及承载梁主要为12号槽钢，在承载梁上均匀焊制4个直径为70 mm丝孔，丝孔间距为1.2 m，每个丝杠长度为为0.2 m，丝杠直径为70 mm，在丝杠顶端焊接一个长度及宽度为0.1 m顶帽，如下页图1所示。

3）吊环共计9个，主要由厚度为5 mm钢板焊制而成，吊环宽度为0.12 m，高度为0.15 m，吊环中部焊接一个直径为30 mm丝孔，在吊环下部安装一个活动钢管，钢管直径为50 mm[2-3]。

图1 丝杠式超前支护结构示意图（mm）

3.2 丝杠式超前支护工作原理

1）巷道掘进前首先将9个吊环安装距工作面迎头前三排锚杆外露段，同一排锚杆安装三个吊环，吊环安装间距为2.0 m，吊环安装时将吊环丝孔与顶板锚杆外露段拧紧。

2）三排吊环安装后巷道开始掘进，掘进后及时将三根承载梁穿插在同一排吊环下方，然后对每一根承载梁上安装四个丝杠，安装丝杠保证丝杠与承载梁运转灵活[4-5]。

3）丝杠安装后将四根前探支护梁依次安装丝杠上方，然后逐渐拧动丝杠上升，并抬起前探梁直至与顶板接触严实，从而达到前探梁对空顶区超前支护作用；当巷道第一茬掘进并支护完成后，在掘进第二茬时只需将前探梁前移即可。

3.3 丝杠式超前支护优缺点

1）支护工艺简单。丝杠式超前支护结构相对简单，受巷道掘进工艺、施工工序影响小，支护工艺简单，便于操作维护，故障率低，成本费用低。

2）支护效果好。与机载前探梁超前支护相比，该支护装置轻便，而且该支护装置可用于最大空顶距大3.0 m巷道中，支护效果好，支护强度高，解决了不稳定、破碎顶板空顶面积大，永久支护时危险系数高等技术难题。

3）实用性强。该支护装置可根据巷道断面大小适当调整前探梁、承载梁数量及长度，该支护装置不仅可用于掘进巷道，还可应用于复杂地质条件采掘工作面、大断面硐室中，甚至可应用于隧道、桥梁等工程领域中，实用性强。

4 应用效果

截止2019年4月27日总回风巷已掘进至490m处，巷道已完全过断层应力区，通过在断层应力区采取丝杠式超前支护后，保证了巷道永久支护施工安全，巷道在后期过应力区期间未发生一起因顶板空顶面积大，超前支护不到位发生顶板垮落事故，取得了显著应用成效。