掘进巷道顶板支护的优化及应用

张 敏

（山西高平科兴龙顶山煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 9101回风顺槽概述

山西高平科兴龙顶山煤业有限公司9101回风顺槽沿顶板掘进，巷道设计长度为2 317 m，巷道净断面为4.8 m（净宽）×2.6 m（净高）的矩形断面。巷道采用锚网支护作为永久支护，巷道顶板采用高强度螺纹钢锚杆、锚索及6号冷拔丝金属网联合支护；煤柱侧帮采用高强度圆钢锚杆、6号冷拔丝金属网联合支护；开采侧帮采用玻璃钢锚杆、塑料拉伸网联合支护。巷道掘进煤层为9号层，平均厚度为1.6 m，平均倾角为3°。

9101回风顺槽采用综合机械化掘进工艺，巷道主要采用锚杆、锚索、金属网联合支护，支护工艺如下：

1）顶板锚杆支护时，顶板锚杆采用长度为2.5 m、直径为22 mm的25MnSi型螺纹钢锚杆，每排布置6根锚杆，间距×排距=0.9 m×1.0 m，锚杆的屈服强度为400 MPa，极限强度为580 MPa，延展率为14%；

2）顶板锚索支护时，9101回风顺槽顶板采用的锚索长度为6.3 m，锚索直径为17.8 mm，锚索间距为2.4 m，排距为3.0 m，当顶板压力较大或者顶板破碎时，两根锚索之间用16～20号槽钢连接成一个整体。

2 巷道掘进现状及问题分析

2.1 巷道掘进现状

根据《9101回风顺槽地质报告》提供资料显示，9101回风顺槽掘进期间共计揭露19条断层，断层多以小断层为主，平均落差为0.7 m，平均倾角为45°，其中巷道掘进至460~580 m段共计揭露9条断层，并形成断层群应力区。

截至目前，巷道已掘进500 m，巷道掘进至460 m处时进入断层群应力区，巷道进入应力区前25m范围内顶板出现局部破碎现象，随着巷道不断开拓延伸，巷道所受应力加大，导致巷道掘进至490 m时顶板破碎加剧，局部区域顶板出现断裂现象，当巷道掘进至495 m处时，顶板出现局部冒落，且两帮与顶板之间的肩角煤柱垮落严重，导致巷道成型差，巷道围岩出现严重失稳现象。

2.2 巷道顶板破碎原因分析

1）构造应力影响。由于巷道掘进至460~580 m段进入断层群应力区，断层破坏了巷道煤岩体连续稳定的结构，断层群对煤岩体产生切割破坏作用，导致断层群区巷道围岩破碎严重，整体岩体稳定性差。

2）巷道支护强度低。原顶板主要采用锚杆、锚索支护，锚杆与锚索对顶板起到悬吊拱支护作用，在支护过程中通过对锚杆（索）施加预应力，并通过支护体将预应力传递至围岩内，对应力可起到消除或削弱作用；但是受构造应力影响，巷道顶板的破碎导致形成围岩松动圈，锚杆（索）采用端头锚固时锚固效果差，预应力无法集中传递至破碎围岩内，因而起不到有效的控制作用。

3）支护设计不合理。原巷道支护时顶板及巷帮虽然采取了锚杆支护，但是在顶板与巷帮之间的三角煤柱区域未实现有效支护，导致巷道掘进时三角煤柱破碎严重，出现垮落现象。

3 巷道支护的优化及应用

为了提高断层群应力区巷道围岩稳定性，决定对原支护进行优化，提出了“L型钢带+矩形工字钢棚”联合支护设计。

3.1 L型钢带支护

1）为对三角煤柱进行维护，在巷道施工L型钢带，L型钢带长边长度为1.5 m，短边长度为1.0 m，钢带宽度为0.25 m，厚度为4 mm，横截面成“JW”型，钢带抗剪强度为410 MPa；钢带长边及短边各焊制1个直径为25 mm的圆孔。

2）将L型钢带施工在巷帮与顶板之间三角煤柱处，首先采用锚索钻机在距巷帮0.8 m顶板处施工1个支护钻孔，钻孔深度为3.5 m；采用手持式钻机在巷帮煤壁距顶板0.5 m处同样施工1个支护钻孔，钻孔深度为2.0 m。

3）支护施工完成后，顶板采用1根直径为17.8 mm，长度为3.5 m的锚索来固定L型钢带长边，采用1根长度为2.0 m，直径为20 mm的锚杆来固定钢带短边，钢带安装完成后，保证钢带两边与巷帮及顶板间接触严实。

3.2 矩形钢棚支护

为了提高应力区顶板整体稳定性，防止集中应力对巷帮煤柱产生破坏作用，决定在应力区架设矩形钢棚。

1）9101回风顺槽架设的矩形钢棚主要由槽钢顶梁、工字钢棚腿、卡缆、连接杆、底座等部分组成；其中槽钢顶梁长度为4.8 m，宽度为0.15 m，槽钢顶梁两端各安装1个托板，托板上焊制2个直径为22 mm的圆孔。

2）棚腿长度为2.6 m，棚腿两端各焊制1个长度及宽度均为0.3 m的钢板，钢板上焊制2个支护孔，棚腿中部焊制一个连接杆安装孔，棚腿安装时将棚腿顶端钢板与顶梁托板对接，并采用卡缆进行固定预紧。

3）棚腿底端与底座之间采用螺母连接，底座与底板之间采用2根地锚进行固定，矩形钢棚安装时需保证钢棚顶梁与顶板接触严实，若顶梁与顶板存在间隙，需采用水泥背板填充；矩形钢棚架设间距为1.0 m，钢棚架设完成后，在相邻两架钢棚棚腿之间采用两组拉杆进行固定。

4 结语

龙顶山煤矿对9101回风顺槽掘进过断层群应力区时采取了L型钢带及矩形钢棚联合支护工艺。通过实际应用效果来看，采用L型钢带后弥补了传统锚杆（索）支护的不足，提高了三角煤柱整体稳定性，控制了三角煤柱破碎、垮落现象；对巷道架设密集工字钢棚后，降低了顶板垂直应力对顶板以及煤柱破坏作用，提高了顶板承载能力，大大提高了巷道成型率，保证了巷道安全快速掘进。