巷道破碎顶板支护问题及优化改进研究

郭 亮

（山西汾西宜兴煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

0 引言

某煤矿巷道原有的顶板支护工作存在一定的欠缺和不足，造成巷道顶板和周围围岩结构安全性有待提升，需要对原有的巷道破碎顶板支护工作方式进行整改，提出更加先进的支护工作方式，有效保证巷道顶板位置的安全性和稳定性，保证整个煤矿开采工作的安全稳定进行。

1 工程概况

某煤矿巷道开采工作展开分析和研究，本次巷道设计总长度1 450 m，巷道断面规格为5.0 m×3.6 m，掘进巷道煤层厚度为5.5 m，巷道沿着本次3#煤层顶板位置进行掘进。煤层直接和主要的围岩结构之间形成衔接，周围围岩结构主要是以砂质泥岩、细砂岩材料为主，平均厚度为4.4 m。煤矿巷道顶板位置主要是以砂岩为主，平均厚度为11.5 m，截止到目前为止，该巷道掘进总距离已经达到510 m。

该矿巷道在掘进到500 m 时，在巷道的北侧区域大约50 m 位置存在一条陷落柱，陷落柱形状为椭圆形，状长轴长度为55 m，短轴长度为25 m，长轴和该煤矿巷道的整体走向，夹角为35°，线路柱和巷道之间的最短距离为15.5 m。当巷道掘进到505 m 的位置时，由于受到陷落柱整体构造所产生的影响，巷道的顶板位置出现不同程度的破碎问题，并且随着巷道的掘进方向快速延伸，巷道高和陷落柱之间的间距明显缩小，巷道的整体受力也在不断加大。当巷道掘进到510 m 位置是顶板位置产生大面积的材料破碎问题，严重的位置产生岩层结构的整体脱离，进而造成巷道的原有支护结构失效率相对较高，原有的支护结构无法满足巷道道安全掘进和施工。对此，相关煤矿开采单位对原有的顶板支护存在的问题进行研究，同时展开了全面优化处理，有效保证煤矿巷道顶板和整体结构的安全性和稳定性[1]。

2 原顶板支护设计工作中存在的主要问题

第一，随着煤矿巷道的不断向前掘进，陷落柱距离不断缩小，造成煤矿巷道所受到的应力也在不断加大，同时在巷道的顶板区域位置形成大面积的应力集中区域，通过对应力集中区域顶板破碎问题以及片帮稳定性问题进行分析，能够有效解决煤矿巷道顶板破碎的问题。通过对煤矿巷道顶板破碎的原因进行分析，能够有效解决巷道顶板破碎问题，在对巷道顶板破碎的原因进行分析中，主要是由于煤岩体以及周围围岩之间形成了较大的应力差，导致煤岩体处于较大的应力集中状态，从而造成了煤矿巷道的顶板破碎问题。通过对煤岩体以及周围围岩之间形成应力差的原因进行分析，能够有效解决煤矿巷道顶板破碎问题。

第二，在煤矿巷道掘进工作面向前推进过程中，受到陷落柱构造应力时产生的影响，巷道应对区域范围内的围岩结构胶结性能不断下降，顶板位置会产生严重的破碎和下沉问题，如果单纯使用钢带无法对破损区域的顶板进行全面加固处理，同时随着煤矿开采工作面地继续向前推进，顶板位置的受力会不断增加，钢带的变形量也会进一步加重[2]。

第三，在煤矿巷道掘进工作面向后推进过程中，煤矿开采工作面逐渐向前推进，在采动应力作用下会导致煤岩体产生不断变化的应力状态，使顶板发生下沉、开裂和脱落等问题，导致煤矿巷道掘进过程中出现严重的支护问题。

针对以上存在的巷道破碎顶板支护问题，首先应该对巷道的实际情况进行认真分析，在此基础上找出破坏原因并加以解决。针对巷道的实际情况选择合适的支护方式和材料，选择科学合理的施工方案来进行施工，通过多种措施的配合来提升煤矿巷道围岩整体稳定性，进而减少巷道掘进过程中出现的严重支护问题。

3 巷道破碎顶板支护工作优化措施

3.1 原顶板永久性支护优化策略

针对原支护工作中存在的问题进行全面分析，通过对原有支护方式进行优化处理，结合煤矿巷道破碎顶板的具体情况，采用新的支护方式对原有的支护工作进行优化改进，能够有效保证巷道破碎顶板的安全性和稳定性。在实际煤矿巷道掘进工作过程中，按照巷道的断面规格以及掘进工作距离来划分施工区域，在不影响井下生产工作开展的前提下，对原有的巷道进行了全面优化改进。在煤矿开采作业过程中，采用新的支护方式进行顶板区域的支护处理时，需要对巷道破碎顶板位置的具体情况进行分析和研究，选择更加科学合理的支护方式才能有效保证煤矿井下作业安全[3]。

3.2 横架锚杆支护优化

横架锚杆支护方案是在原有的锚杆支护基础上进行优化改进，形成的一种新型的复合式支护方式，需要结合具体的地质结构特征以及巷道的实际施工条件进行全面分析和研究，针对不同的地质环境，设计出具有针对性的锚杆施工方案。在进行横架锚杆支护优化设计工作过程中，需要将原有的锚杆材料更换为直径22 mm，长度为3.3 m 的加长螺纹钢锚杆，并在相邻区域设置出1.5 m 长的支撑体结构。在实际巷道施工过程中，由于受到陷落柱构造应力影响，造成巷道破碎顶板和周围围岩结构产生较大幅度的下沉现象，并且使得围岩出现较为明显的松动情况。锚杆安装工作结束之后需要对其进行及时加固处理，并且对加固之后的锚杆进行拉拔实验，确保锚杆加固质量满足顶板加固工作要求，然后再锚固一端额外安装一根拉杆，同时使用拉紧器设备将两根轻脚锚杆之间直接进行连接。横架锚杆预紧力生成之后需要保证合力大小，可以完全抵消煤矿巷道顶板的垂直应力大小，因此可以实现削弱集中应力对煤矿巷道顶板所产生的破坏性作用[4]。

3.3 π 型钢棚支护结构

为了有效保证破碎顶板位置的支护强度和稳定性，相关施工人员在展开永久性的支护结构基础之上，通过架设π 型钢棚结构，可以进一步提高煤矿巷道顶板的支护结构效果。因为矩形钢棚顶梁的承载能力相对较弱，因此无法实现对顶板位置进行永久性支护，对此相关工作人员在经过研究分析之后，决定将原有的矩形钢棚结构改变成π 型钢棚结构。在支护工作过程中需要对钢棚底板的位置进行混凝土浇筑处理，其底深度大小为0.2 m 底座，直接安装在基础底座位置进行浇筑工作，浇筑工作结束之后需要保证底座位置的平整程度。完成上述工作之后需要将π型顶梁柱进行连接，和煤矿巷道的顶梁位置进行充分加固处理，顶梁和顶板之间需要预留一定的间隙，通过使用两组拉杆进行直接连接，在拉杆之间安装钢筋混凝土。完成上述工作之后，在π 型顶梁的正下方安装一根钢筋，钢筋长度为1 m，长度为6 m，使用8 cm的钢筋网进行覆盖。当π 型顶梁完成全部的架设工作之后，需要将π 型顶梁和π 型顶梁柱直接进行连接，通过使用两组拉杆直接进行连接。在支架的顶部位置安装两根拉杆，并将π 型柱子安装在拉杆上。在使用钢筋网进行覆盖的过程中，需要将π 型柱子直接安装在钢筋网上，完成上述工作之后需要对钢棚进行全面加固处理，用四根直径为Φ20 mm 的锚杆进行锚固，将锚索长度为12 m 直接安装在钢棚的正上方位置。

3.4 支护结构优化改进

在煤矿巷道破碎顶板的支护工作中需要充分发挥出π 型钢棚结构的优势作用，并且能够进一步提高支护结构的稳定性。对此，相关施工人员通过研究分析之后，将原有的矩形钢棚结构改变成π 型钢棚结构[5]。在钢棚底板位置安装一根Φ20 mm 的锚索，通过使用钢绞线将锚索直接进行连接，通过使用2 根Φ20 mm 的锚索将锚索直接进行连接，同时对钢棚底板位置进行混凝土浇筑处理。当煤矿巷道出现破碎情况时可以利用π 型顶梁作为主要支撑结构。首先安装第一架钢棚，通过对π 型顶梁进行安装和加固处理之后直接安装在巷道上方位置。然后继续安装第二架钢棚和第三架钢棚，通过使用两组拉杆直接进行连接。

4 结语

该巷道经过顶板位置的支护优化改进工作之后，已经完全通过陷落柱应力的影响区域，同时在针对应力区域巷道顶板采用联合支护工作方法之后，相关工作人员经过一个月的时间进行稳定性观察，经过仪器设备的监测以及数据信息收集之后发现，在0～15 d范围内，因为支护结构和顶板没有完全达到耦合性作用，顶板的塑性变形量比较明显，顶板的下沉量大小为0.15 m。在15～20 d 范围内，顶板耦合支护作用起到了明显的效果，可以有效控制顶板出现继续下沉情况变形量有所降低。在25 d 之后，整个煤矿巷道顶板区域基本保持稳定。因此，通过优化支护方案之后，陷落柱应力区域的顶板稳定性得到了全面提高，支护工作效果达到预期。