复杂条件的掘进巷道顶板支护优化设计

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摘要：针对长平煤矿53031巷掘进中过构造应力区时顶板支护施工难度大、支护效果差等现象，为了进一步提高复杂条件下巷道顶板稳定性，控制顶板破碎、离层、变形等现象，通过技术研究，从原巷道顶板支护设计入手，分析了顶板支护主要存在的问题，并根据实际生产情况，对顶板支护进行了优化设计。从实际应用效果来看，优化后的顶板支护大大提高了顶板稳定性，满足破碎顶板支护需求。

关键词：复杂条件；掘进巷道；顶板支护；优化设计

巷道掘进过程中受煤层结构、地质构造、施工工艺等影响，出现顶板下沉、煤壁片帮、巷道成型差、支护难度大等技术难题，导致传统单锚杆、锚索支护无法满足复杂条件下巷道支护要求，不利于顶板的安全维护，很容易引发巷道顶板事故[1]。因此对于复杂条件下的巷道掘进，必须合理优化巷道顶板支护设计，采取合理有效的支护措施对顶板松动围岩进行维护。本文以山西晋煤集团长平煤业有限责任公司53031巷为例，对原巷道顶板支护设计主要存在的问题进行分析，并根据实际情况对顶板支护进行优化，确保巷道安全快速掘进。

1概述

山西晋煤集团长平煤业有限责任公司53031巷位于井田五盘区，巷道北部为实煤区，东部为53041巷，南部为五盘区大巷，西部为8303工作面。53031巷主要担负8303工作面回风任务，巷道设计长度为1400m，巷道设计断面规格为4.5m×4.0m（宽×高），施工巷道沿石炭系3#煤层顶板掘进，煤层平均厚度为5.95m。53031巷直接顶主要以泥岩、砂岩及煤混合岩层为主，总厚度为2.3m，其中，煤层厚度为0.5m（不可采），岩体互层胶结；直接顶主要以粗砂岩、K4灰岩为主，总厚度为11.4m。截至2019年6月11日，53031巷已掘进469m，根据《山西长平煤业有限责任公司五盘区第二回风巷掘进地质说明书》，巷道掘进至480m处时在北侧揭露一条DX177陷落柱，该陷落柱长轴为68m，短轴为50m。受陷落柱影响，巷道掘进至460m处时顶板出现破碎现象，巷道掘进至465m处时局部顶板支护出现失效现象，原顶板锚杆支护无法满足破碎顶板支护需求。

2原巷道顶板支护设计及问题分析

2.1原巷道顶板支护设计

a)顶板锚杆。原巷道顶板每排布置5根单锚杆，锚杆长度为2.5m，排距为1.0m，间距为1.0m，每根锚杆外露端安装一根长度为0.45m、宽度为0.25m的W型钢带。b)顶板锚索。原巷道顶板每排布置2根锚索，锚索间距为2.0m，排距为3.0m，长度为5.0m，直径为17.8mm，每根锚索外露端安装一根长度为1.2m的工字钢梁。

2.2顶板支护主要存在的问题

a)支护设计不合理。原支护设计中虽然顶板支护数量满足实际支护需求，但是支护设计中未严格按照顶板岩性及顶板破碎情况合理设置顶板锚杆、锚索数量，顶板支护体数量设置盲目性大，不仅增加了顶板支护成本，加大了支护作业强度，而且在施工支护钻孔中钻机破岩时产生扰动破坏作用[2]，增大了顶板岩体破坏程度。b)顶板支护强度低。原顶板支护中锚杆长度为2.5m，采用端头锚固方式，锚固长度为0.9m，锚固端位于直接顶与基本顶之间，当直接顶与基本顶出现离层时，锚杆出现失效现象；原顶板支护中锚索抗拉强度为1860MPa，当顶板下沉时，锚索出现抗拉强度不足现象，导致锚杆断裂[3]。

3顶板支护优化设计

为了保证53031巷安全快速过DX177陷落柱应力区，提高应力区顶板稳定性，通过研究，决定对原巷道顶板支护中锚杆、锚索布置参数进行合理优化。3.1顶板锚杆优化a)为了进一步增强锚杆对顶板的悬吊作用，通过优化，决定对顶板施工柔性锚杆，该锚杆主要由长度为3.5m、直径为18mm的钢绞线制成，每排布置4根，间距为1.3m，排距为1.2m。每根柔性锚杆采用3支锚固剂锚固，锚杆施工后保证与顶板岩体面垂直。b)同一排柔性锚杆施工完成后在其外露端安装一根长度为4.2m、宽度为0.32m的钢带，并采用钢方垫、锁具预紧。

3.2顶板锚索优化

a)对于顶板锚索的优化，采用长度为8.0m、直径为22mm的恒阻大变形锚索，每排布置3根，布置间距为1.8m，排距为3.0m。b)为了防止传统工字钢梁对顶板产生切顶破坏，增大支护断面，决定在同一排锚索外露端安装一根长度为3.8m、宽度为0.5m的多筋梯形梁，并采用钢方垫、锁具预紧。

3.3顶板金属网优化

由于传统的菱形金属网采用8#铅丝编制而成，将该金属网应用于破碎顶板中时，会出现网与顶板接触不严实，网刚度低，变形严重的情况。为此，决定对应力区顶板采用钢筋网，每片钢筋网规格为2.4m×1.4m（长×宽），钢筋网主要由直径为14mm的圆钢焊制而成，该钢筋网具有抗压强度高、不易变形等优点，可用于复杂巷道大变形顶板支护中[4]。

3.4桁架锚索支护

通过观察应力区顶板发现，巷道出现下沉时顶板中部下沉量最大，要想控制顶板中部下沉现象，必须对巷道中部实施桁架锚索支护。a)每架桁架锚索支护体主要由2根锚索、2根拉杆以及1个双向张拉器等部分组成[5]，锚索长度为4.0m，直径为17.8mm，每根拉杆长度为0.8m。b)桁架锚索支护结构与巷道走向平行布置，每排施工2架桁架锚索支护体，排距为1.5m，间距为1.2m，如图1所示。

4实际应用效果分析

截至2019年6月18日，53031巷已完全过陷落柱应力区，巷道顶板岩体区域稳定。在对陷落柱应力区巷道顶板支护进行优化设计后，通过后期观察发现，支护优化后顶板破碎、下沉现象得到了有效控制，顶板下沉量控制在0.12m以下，支护失效率控制在4%以下，避免了传统支护设计支护失效严重、支护强度低等技术难题，大大提升了破碎顶板支护效果。

5结语

山西晋煤集团长平煤业有限责任公司针对53031巷过陷落柱应力区时顶板出现的破碎、下沉现象，为了弥补传统支护设计的不足，通过技术研究，对原顶板支护进行了优化。从实际应用效果来看，优化后的支护设计满足破碎区顶板支护要求，能够对不稳定顶板进行有效支护，保证了巷道的安全快速掘进，取得了显著的应用成效。

参考文献：

［1］李翔.井下巷道掘进顶板支护技术探讨［J］.当代化工研究，2019(14)：51-52.

［2］李志华.掘进巷道过断层工艺优化研究［J］.内蒙古石油化工，2019(6)：23-24.

［3］刘星星.掘进巷道过断层破碎带支护工艺优化设计［J］.山东煤炭科技，2018(9)：34-35.

［4］刘星.西铭矿42208工作面巷道顶板支护设计［J］.煤矿现代化，2018(4)：41-43.

［5］梁雷.复杂条件下煤巷掘进与支护技术［J］.煤炭技术，2017(9)：91-93.

作者：陈雪啸 单位：山西晋煤集团长平煤业有限责任公司