浅埋深薄基岩平顶拱形棚支护应用

郭 杲

(霍州煤电集团 河津薛虎沟煤业有限责任公司， 山西 霍州 031400)

浅埋深薄基岩煤层具有埋深浅、基岩顶板较薄的特点，顶板岩性较为破碎，支护困难，许多学者对此进行了研究。张杰等[1]建立窄煤柱-实体煤-基本顶-覆岩共同作用的围岩结构受力模型，分析浅埋深薄基岩沿空掘巷围岩结构形成及失稳机理。李召鑫[2]研究表明， 在“三软”条件下回采巷道应选择直墙半圆拱形巷道或者平顶U形巷道；邹庄矿3204工作面采用平顶U形断面巷道的现场实测表明，巷道围岩变形量不大，能够满足回采时巷道稳定要求，提高了回棚效率。

薛虎沟煤业有限责任公司开采2#煤层为浅埋深薄基岩煤层，岩性较为破碎，使用锚索、杆支护效果较差，掘进工作面选用传统直壁三心拱29U型钢棚支护，能够保证掘进期间的顶板安全管理，但是在回采期间，两巷超前支护无法合理搭设，横向搭设π梁后，π梁无法直接接顶，π梁受力不均匀，顶部压力集中在π梁两端，无法保证超前支护的安全可靠。为确保支护安全合理，经过围岩结构稳定性分析，从U型钢支架塑性区分布与位移分布角度分析得出，决定在掘进工作面采用平顶拱形棚支护。

1 平顶拱形棚与直壁三心拱棚断面参数对比

1.1 平顶拱形棚

在原直壁三心拱29U型钢棚基础上，降低拱棚高度10 cm，棚梁顶部变为平顶，棚梁弧度发生变化，棚腿不变，棚梁与棚腿搭接处保持原弧度。使用平顶拱形棚巷道参数：净宽4.2 m，净高2.9 m，净断面11.0 m2，毛宽4.7 m，毛高3.15 m，毛断面13.2 m2.

1.2 直壁三心拱棚

使用直壁三心拱棚巷道成型后参数如下：净宽4.2 m，净高2.9 m，净断面11.3 m2；毛宽4.7 m，毛高3.25 m，毛断面13.35 m2.

1.3 参数对比

使用平顶拱形棚后巷道宽度不变，高度比原先低10 cm，净断面比原先小0.3 m2，通过验算，巷道参数能满足机电设备安装、运输、行人、通风等要求。

棚架断面对比图见图1. 从图1可以看出，顺槽巷道为直壁三心拱棚时，在回采期间选用2.4 mπ梁、3.2 m单体柱作为超前支护，π梁顶部距巷道顶部310 mm，可用不同长度木板梁充填接顶，但受力不稳定，使用短π梁后，上述问题依然存在。顺槽巷道为平顶拱形棚时，在回采期间选用2.4 mπ梁、3.2 m单体柱作为超前支护，在平顶拱形棚巷道π梁顶部与巷道顶部间距为150 mm，可用木板梁充填接顶或根据现场采用短π梁直接接顶。也可采取另一种超前支护方式，即在平顶拱形棚梁两端直接支设单体柱，不再支设π梁,可降低超前支护难度，提高支护效果。

图1 棚架断面对比图

2 平顶拱形棚支护设计

2.1 支护设计参数

平顶拱形棚采用29U型钢棚制作，棚距0.8 m. 柱窝深度0.2 m，棚梁腿搭接0.5 m，每架棚二牛背处每边用一副拉杆联接，卡缆内间距为0.26 m，卡缆螺母扭矩为200 N·m；棚梁上部铺设木背板，背板间距400 mm，背板上部铺设钢筋网，钢筋网上部铺设阻燃胶布，再上部铺设背板、构木接顶，并用木楔打紧打牢；棚腿直腿部分紧贴棚腿均匀布置3根背板，背板后部铺设菱形网与阻燃胶布紧贴煤壁，并用木楔打紧打牢，网与网搭接100 mm，每20 cm联网一道。平顶拱形棚支护断面见图2. 断面尺寸见表1.

图2 平顶拱形棚支护断面图

表1 平顶拱形棚断面尺寸表

2.2 材料规格

每掘进1 m消耗29U型钢10.3 m，背板19根，木楔19块，构木19根，钢筋网6.76 m2，菱形网4 m2，阻燃布10.76 m2. 背板规格1 000 mm×150 mm×80 mm，构木规格1 000 mm×80 mm×80 mm，钢筋网规格1 200 mm×900 mm，钢筋直径为6.5 mm，网格100 mm×100 mm，菱形网规格3 000 mm×1 000 mm，网格为40 mm×40 mm，10#铁丝，阻燃布规格10 000 mm×900 mm×0.5 mm，联网丝为14#铅丝。

2.3 临时支护

采用前穿板梁临时支护，在紧靠工作面迎头第一架棚梁上方穿插4根板梁，在两帮二牛背处各穿插2根板梁进行临时支护，板梁穿入棚梁200 mm，板梁伸出长度800 mm，用木楔打紧打牢，板梁规格：长1 000 mm×宽150 mm×高80 mm.

3 试验监测

3.1 掘进期间

在巷道顺槽两巷采用平顶拱形棚支护试验100 m，施工完成后，对平顶拱形棚支护段按照20 m一组布置巷道位移量观测站，监测主要参数为平顶拱形棚拱部及直墙部变形情况，一周以内每日进行观测，一个月后无变化每周观测一次，定期观测数据并进行汇总分析。

巷道位移量观测站采用“十字”布点的方式，在棚架梁中部用喷漆喷“十字”标记，在棚架两侧棚腿直墙与拱部交接处(距底板1.6 m)用喷漆喷“十字”标记。测量时，在两侧标记处拉线绳，调整线绳保持左右水平，测量顶部标记点距线绳垂直距离，作为监测指标1，测量棚架两侧标记点距离，作为监测指标2. 每架棚架好后，测量上述指标并记录，作为原始数据，后期测量数据与原始数据对比、分析。测点布置方式见图3.

图3 测点布置方式图

3.2 回采期间

初采开始后，每日对正副两巷距切巷口50 m棚架范围进行巷道位移量观测，50 m以外的每周观测一次，观测方法同掘进期间一致。对超前支护段进行加强观测，对比巷道位移量变化数据。

在回采期间正副两巷超前支护方式一共两种：一种是选用2.4 mπ梁、3.2 m单体柱作为超前支护；另一种是在平顶拱形棚梁两端直接支设单体柱。对于两种超前支护方式，每种设定区域分别进行试验，根据现场顶板情况及巷道位移量观测数据变化，进一步确定超前支护方式。

3.3 效果分析

棚梁腿搭接方式：棚梁腿交叉搭接，搭接面为圆弧，且用两副卡缆固定；棚架与棚架之间联接方式：两种架型均可用圆钢制作的拉杆联接，拉杆的数量可根据实际情况增加或减少；受力情况分析：平顶拱形棚顶梁水平段为1.6 m，跨度为2.8 m，顶梁垂直受力段为1.6 m，其余受力在顶梁两侧圆弧段，顶部压力通过两侧圆弧传递于两侧棚腿，压力增大时，棚梁腿搭接处可回缩，释放部分压力，顶梁不易变形。经过巷道位移量监测，监测指标1在巷道最大回缩量情况下观测值为1 290 mm,监测指标2在巷道最大回缩量情况下观测值为4 193 mm,变化量均在设计范围内。

在满足通风系统及顶板支护的要求下，支护断面平顶拱形棚较三心拱棚掘进断面减小0.3 m2，掘进过程中减少了人力支出及出渣时长，降低了运输设备的电力损耗；回采过程中超前施工较原三心拱断面减少了施工背板构顶工艺，降低了职工劳动强度，避免构顶期间人员登高作业，节省了木材支护费用，提高了超前支护效果，确保了巷道施工顶板安全。

4 结 论

薛虎沟煤业2#煤层在浅埋深薄基岩地质条件下，采用平顶拱形棚支护后，巷道位移量监测数据均符合设计要求，支护效果良好，为回采期间超前支护施工创造了良好条件，降低了职工劳动强度，同时也可确保超前支护质量，实现安全生产。

Application of Support of Shallow-buried and Deep-thin Bedrock Flat-top Arched Shed

GUO Gao

AbstractThe No.2 coal seam of Xuehugou Coal Industry is a shallow buried deep and thin bedrock coal seam. In order to ensure the safety and reliability of the advance support of the two roadways during mining, the flat-top arched shed is designed for support. On the basis of the shed, the top of the shed beam becomes a flat roof, and the overlap between the shed beam and the shed legs maintains the original arc. The results show that the support effect of the flat-top arched shed is better under the condition of shallow buried deep and thin bedrock roof.

KeywordsShallow buried deep and thin bedrock coal seam; Straight wall three-core arch shed; Flat-top arched shed; Roadway displacement