梯形锚棚支护在应力区巷道中应用分析

朱晓宁

（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037001）

受构造应力、采掘应力等影响，巷道在掘进过程中经常出现顶板应力集中现象，导致巷道顶板出现破碎、下沉，甚至发生顶板垮落事故。我国多数煤矿对应力破坏区顶板采取锚杆、锚索或架设钢棚进行加强支护，但是传统锚杆（索）、钢棚支护方式相对单一，在应力区顶板中支护效果差，无法实现主动与被动支护相结合支护作用，导致加强支护后，支护失效严重，无法满足应力区顶板支护要求。对此，为了弥补传统支护不足，本文对2102巷应力区顶板提出了梯形锚棚支护。

1 概述

大同煤矿集团永定庄煤业公司2102巷位于井田北盘区，巷道设计长度为1073 m，巷道断面规格为宽×高=5.0 m×3.6 m，该巷道主要服务于8102工作面，担负着工作面煤炭运输任务。

2102巷掘进煤层为石炭系3#～5#煤层，煤层平均厚度为27.73 m，煤层直接顶主要以煤、泥岩混合岩层为主，平均厚度为2.2 m，基本顶主要以细砂岩为主，平均厚度为11.2 m；巷道掘进期间围岩主要采用锚杆、锚索进行控制，顶板每排布置5根长度为2.0 m左旋无踪迹螺纹钢锚杆，锚杆间距为1.1 m，排距为1.0 m，顶板锚索采用长度为5.0 m，直径为17.8 mm预应力钢绞线，每排布置3根，间距为1.8 m，排距为3.0 m。

由于2102巷掘进煤层不稳定，煤层结构复杂，煤层顶板稳定性差，易破碎，巷道掘进过程中共揭露12条断层，受断层应力影响，巷道掘进时围岩稳定性相对较差，主要表现在顶板下沉、离层现象严重。2102巷在前期500 m掘进期间，共揭露4条断层，巷道顶板破碎现象比较严重，顶板最大下沉量达0.45 m，巷帮移近量达0.56 m，不仅影响工程施工质量，而且不利于施工安全。

2 梯形锚棚支护工艺

2.1 支护原理

梯形锚棚支护主要利用梯形钢棚对巷道不稳定顶板进行支撑，减小两帮煤柱支撑应力以及提高顶板中部承载能力，同时采用预应力恒阻锚索将棚梁与顶板预紧，实现主动与被动支护相结合的方式对顶板进行联合支护。

2.2 梯形锚棚结构、规格

（1）2102巷采用的梯形锚棚主要由联锁底座、梯形棚腿、顶梁、卡缆、恒阻锚索以及承载梁等部分组成，见图1。

图1 2102巷梯形锚棚支护断面

（2）联锁底座由钢板焊制而成，规格为长×宽×厚=1.8 m×0.3 m×0.01 m，在底座两端0.1 m处焊制两个直径为20 mm圆孔，孔间距为0.2 m，主要用于相邻两块底座搭接固定；在距底座两端0.15 m处，焊制4个直径为25 mm圆孔，主要用于棚腿搭接固定，见图1。

（3）梯形棚腿长度为3.6 m，在棚腿两端各焊制一个规格为长×宽×厚=0.3 m×0.3 m×0.01 m钢板，在钢板上焊制4个圆孔与底座4个圆孔规格相同。

（4）顶梁长度为4.8 m，在距顶梁端头1.0 m处各焊制一块规格为长×宽×厚=0.3 m×0.3 m×0.01 m钢板，钢板上焊制4个圆孔且与棚腿两端钢板圆孔规格相同；同时在顶梁均匀焊制3个圆孔，孔径为30 mm，孔间距为2.0 m。

（5）恒阻锚索长度为8.0 m，直径为21.6 mm，承载梁长度为1.5 m，宽度为0.2 m，共计3根。

2.3 施工工艺

（1）梯形锚棚安装前首先在两帮底板处进行起底、浇筑施工，起底深度为0.2 m，宽度为0.3 m，长度为1.8 m，起底后采用混凝土浇筑，浇筑面与设计底板面平整。

（2）起底浇筑后将底座安装在浇筑面上，底座安装后将梯形棚腿与底座对接安装，并采用4根长度为1.0 m地锚进行固定。2根棚腿安装后，将顶梁与棚腿采用4根螺母进行连接。

（3）1组梯形棚共计2架，间距为1.5 m，同一组梯形棚安装后在2根顶梁与顶板之间安装3根承载梁，梁间距为1.5 m。

（4）承载梁安装后采用MT-30锚索机在2根顶梁顶板处施工3个锚索钻孔，孔间距为2.0 m，直径为30 mm，并安装3根恒阻锚索将顶梁与顶板进行固定预紧，预紧力不得低于170 kN。

3 梯形锚棚支护优点及实际应用效果分析

3.1 梯形锚棚支护优点

（1）降低了支护成本费用：与传统“注浆+架设钢棚”联合加强支护相比，梯形锚棚支护施工工艺相对简单，缩短了支护施工，降低了劳动强度，而且梯形锚索棚成本费用较低，实用性强。

（2）缩短了支护周期：与传统单锚杆（索）、钢棚支护工艺相比，梯形锚棚支护时钢棚与锚索支护可协同作业，缩短了顶板支护时间，降低了应力区巷道围岩塑性变形量，对不稳定顶板起到及时有效支护作用。

（3）支护效果好：梯形锚棚支护可用于不同地质条件下的应力区掘进工作面，在支护过程中可通过调节梯形棚腿角度，保证梯形棚支撑作用力，从而满足不同应力的围岩支护要求，适用性强，支护强度高。

3.2 实际应用效果分析

2102巷掘进至500 m处时开始架设梯形锚索棚，在巷道应力破坏区域内每隔2.0 m架设1组，截止2018年9月17日，2102巷掘进完成共计架设21组梯形锚索棚，通过对梯形锚索棚应用效果观察发现，当锚索棚架设完5 d内受围岩塑性变形影响顶板下沉量相对较大，与前期巷道变形量相比，最大下沉量由原来的0.45 m，减小为0.17 m，在5 d后锚索棚支撑作用力逐渐升高，顶板下沉量降低，当架棚后10～12 d内锚索棚支撑作用力与顶板应力趋于平衡，顶板下沉量趋于0，控制了顶板进行一步下沉现象。

4 结语

1）梯形锚棚采用梯形棚腿支撑方式，对顶板支撑作用强度大，承载能力强，可适用于冲击应力大区域，通过调整棚腿支撑角实现对顶板不同应力大小进行支撑，避免了钢棚变形现象，降低了钢棚维修费用；同时在相邻两架梯形棚之间安装承载梁，有效防止了传统钢棚支护对顶板产生的切顶破坏作用。

2）梯形锚棚支护实现了对不稳定顶板主动与被动支护相结合的支护方式，解决了传统被动支护时变形严重、支护不及时等技术难题，同时有效防止了传统单一锚杆支护时，因顶板破碎锚固失效现象严重，支护效果差，导致顶板垮落等事故，提高了不稳定顶板支护效果。

3）梯形锚棚支护具有一定的让压性能，保证了支护体变形和围岩变形相适应，充分发挥支护体的支护作用和巷道围岩的自承载能力，实现了支护体与围岩耦合作用。