破碎顶板工作面端头复合支护技术应用

吴光辉

（晋煤集团赵庄二号井 ，山西 长治046000）

常村煤矿采煤工作面存在设备布置多、供电运输系统长、顶底板承受的矿压大、人员管理复杂等现实问题，而工作面切眼与上下顺槽连接处的端头是人员行走、拉煤运输等的主要通道，该地点悬顶面积大，且承受着来自采空区和周期来压的顶底板压力，以及煤巷两边煤壁的侧向压力等综合压力的考验，一旦出现问题，将直接影响采煤面的运输系统，阻挡人员撤离的逃生通道[1-3]，因此，做好采煤工作面端头支护的加固工作是保证工作面安全回采的主要条件之一。

1 工作面概述

常村煤矿采用立井单水平盘区开拓方式，目前主要在+810水平开采3#煤层，核定生产能力为176万t/a，矿井水文地质类型划分为极复杂、地质类型划分为中等，矿井正常涌水量为149m3/h，最大涌水量为224m3/h。矿井排布有两个采区，布置两个个采煤工作面，均采用综采放顶煤，另有3个掘进工作面，采煤工作面采用走向长壁沿底回采放顶煤生产工艺，其中3305回采工作面位于三盘区中部，盘区大巷以西，为倾向布置工作面，巷道设计长度为1940m，切眼斜长215m，煤层倾角2°～10°，平均倾角5°，巷道断面5.4m×3.1m,断面跨度大，顶板条件相对较差，易破碎，在切眼两端与上下顺槽交叉处，容易出现空顶与来压作用影响，因此，需对端头支护的加固施工工艺进行摸索探究。如图1：3305工作面平面布置示意图。

图1 3305工作面平面布置示意图

2 破碎段端头支护形式

采煤工作面的端头支护一般采用两种形式：主动形式与被动形式。主动方式是通过在掘进期间向煤层的稳定岩层顶板打设规则的锚杆和锚索，对顶板起到悬吊作用进行主动支护；被动方式是通过在巷道回采时架设梁棚，并在棚下打设液压单体柱进行复合式支护的方式，被动的等待顶板来压后，作用在棚梁上，起到被动等压的效果，待来压稳定，重新分布，以达到新的动态平衡。

2.1 主动支护方式

2.1.1 锚杆支护

锚杆采用型号为Ф20mm×2.2m的高强度螺纹锚杆，顺巷道架棚方向按照0.9m×0.8m的间排距打设，恰好每排可打7根锚杆。

在打设锚杆、锚索后，为了避免顶板周期来压，或因为架棚、支护质量不合格，导致顶板破碎垮落现象发生，造成碎矸伤人事件，要预先在顶板铺设金属网，使金属网紧贴岩面，布置4700 mm×78mm规格钢筋托梁，然后施工锚杆眼，搅拌锚固剂，并对锚杆进行涨拉预紧，起到防护效果。巷道支护示意图如图2所示。

图2 锚杆锚索主动支护示意图

2.1.2 锚索支护

在施工完锚杆支护后，仍需采用长孔加固的锚索进行补充加强支护，通过不同层位的深浅孔结合，可有效对顶板不同围岩类型进行合理加固，采用锚索支护时，主要选用Ф17.8mm×8m锚索进行打设，为了强化锚索对顶板的支护强度，实现锚索间的连锁，在每两根锚索之间垂直巷道架棚方向顺序固定一根锚索梁，加强悬顶作用，锚索梁长一般选型为2.2m，锚索间距1.8m，梁头接触紧密排列，锚索梁除了加强对顶板的主动支护外，也能对锚杆钢梁起到提拉加固作用。通过锚索支护的深孔打设，可有效将顶板加固于稳定砂岩层中，达到控制效果。

2.2 被动支护方式

2.2.1 架棚支护

在工作面顶板破碎地段，采用5.4m长的工字钢钢梁进行双棚架设，即每两棚合并背设成为一个整体棚，既能够有效增加背顶面积，也可以增强来压时的顶帮部抗压强度，由于顶板承受压力远大于帮部煤墙外鼓膨胀压力，因此，架棚后要在工字钢棚梁顶部沿垂直方向依次按照间距0.3m进行背设背板或小原木，在背板上方再铺设一层金属网，防止破碎带局部掉矸现象，在来压时煤层垮落形成网兜，增加人员通过时的安全系数，创造安全环境。工字钢棚蹬腿后，可使用双串杆从棚梁处向下按照0.4m的间距依次向下背设，当煤壁来压、膨胀出现鼓包时，可剪开网兜，或通过施工松帮泄压孔的方式对煤壁进行释放泄压，减少对棚腿侧帮的压力影响，减少巷道变形量，提高支护强度。

图3 复合支护示意图

2.2.2 边路抬棚支护

虽然通过打设锚网索增加了顶板的主动悬吊作用，但钢棚缺少上行有效支撑，因此，可通过在棚梁下打设抬棚的方式加强支护。

对工字钢棚的压力来源可从两个方向性进行分析，其一主要是来自顶板和底板的垂直方向应力影响，主要作用在棚梁上；其次是煤壁两侧或煤壁与采空区方向横向的压力影响，主要作用在棚腿上。因此，为了解决侧帮压力，可在距工字钢棚梁两端1m处各打设一排边路抬棚，抬棚梁采用π型梁垂直工字钢棚方向进行打设，在抬棚梁与工字钢量垂直交接的地方打设一根单体柱，根据一般巷道巷高，可使用伸缩量满足3.5m巷高要求的单体柱即可，结合抬棚梁长度和巷道作业空间，可选取使用“一梁三柱”抬棚方式，其目的在于当巷道侧帮压力显现，造成棚腿憋帮变形，短期内无法修复，失去对工字钢棚梁的支撑作用下，边路抬棚可加强对棚梁的补充支护作用，防止两帮压力不均匀，导致棚梁脱落和架棚变形失力的后果。

2.2.3 中路抬棚迈步掩护支护

在边路抬棚对棚腿侧帮压力补充支护外，中路抬棚主要为了辅助工字钢棚梁强化对顶板来压与底板鼓起时的垂直应力方向的支护，在工作面正常回采生产期间，由于端头施工需要对采空区棚梁进行回收，采空区垮落顶板与切眼端头空间的应力分布不均，会在接触面形成巨大的压力，而当端头回棚减小抵抗应力时，会造成采空区内的压力释放，甚至造成端头支架和抬棚推磨现象发生，因此，为了减小回棚时的抵抗应力影响，可在中路施工两排抬棚进行加强支护，在实际操作过程中，中路抬棚按照交替迈步式向前回撤，当需要回收一棚梁时，抬棚向前移动0.6m，使抬棚末端始终紧贴于应力结合面，当支撑升起贴于顶板后，原来平行的另一组中路抬棚同样向前移动0.6m，依次进行替换，实现迈步掩护支护，确保将不平衡应力面造成的影响降到最低，实现对采煤面端头的安全支护加固。

3 支护强度抗压性分析

由于巷道掘进期间对顶板施工锚网索支护的主动形式可有效控制顶板围岩缓慢下沉，为后期工作面回采创造安全条件，且减少因顶板压力大造成的大量工字钢棚修护现象，因此，主动支护形式对顶板支护的作用毋庸置疑。为了验证抬棚数量与支护形式对架棚支撑作用强度的影响效果，在工作面上下巷端头以不同抬棚形式打设，各进行一个月的参数收集，为了避免动态因素的影响，根据工作面月度推进度，在切眼外端上下巷30m处各布置一个观测点，记录原始数据，每5天对巷道顶帮移近量进行采集。具体实验方法如下：①首月在上端头只打设两边路抬棚，不打中路抬棚；②次月在上端头只打设两路中路抬棚，不打边路抬棚；③首月在下端头按照正规循环打设两边路抬棚，与中路迈步交替式抬棚；④次月在下端头打设两边路抬棚与单排中路抬棚。经两个月的数据采集对比，分析见附图4。

图4 抬棚支护巷高变形参数对比

图5 抬棚支护两帮形变参数对比

从图4数据分析得知，随着工作面的推进垂直压力不断显现，但实验方案三的巷道移近量最为平缓，且数值最低，说明此支护方式起到了对顶底板的抗压效果。

从图5数据分析得知，随着工作面的推进两帮部也受到煤体挤压的侧帮应力作用，有无边路抬棚的影响较为明显，但中间抬棚的单路与双路布置影响甚微。

综上所述，在经过四组实验验证后，进行综合分析评价，实验三的整体效果较为显著，能够有效减小架棚巷道顶帮压力的影响，说明起到了良好的支护加强作用。

4 结 语

本文通过对大采深采煤工作面的端头施工地点进行分析探究，详细总结出了架棚巷道所承受压力的来源，并对其方向性与作用方式进行阐述说明，进而有针对性地提出面对主动支撑与被动等压条件下所采取的防范推棚的有效措施，通过打设顶板的锚网索复合支护，在架棚巷道的工字钢梁下打设两帮部边路抬棚，配合中路抬棚进行迈步掩护式交替施工，协调工作面回采期间的各方应力实现动态平衡，通过现场实验，将影响降到最低，减少工字钢棚的复修率，实现经济利益的最大化，同时，也为矿井其他具有相同条件的工作面提供参考依据，推广经验，确保矿井的高效安全生产。