锚杆架棚支护技术在破碎顶板支护中的应用

杜 军

（汾西矿业集团贺西煤矿，山西 柳林 033300）

煤矿开采期间容易产生一定的安全隐患，这对于矿井作业会造成直接影响，当前我国对煤炭的需求加大，而且掘进巷道于矿井深处进行延伸，这时巷道渗出煤层煤质必然会改变。顶板破碎、下沉，以及巷道围岩和地质构造应力等因素影响下，对工作人员的安全问题构成严重威胁，因而需合理运用锚杆架棚支护技术处理，以便提高煤矿开采的效率、安全性[1]。

1 工程概况分析

某煤矿5201 巷处于井田三盘区，北东部、北西部、南东部、南西部分别为：山2 号层盘区巷、8202工作面、8206 工作面、2 号煤层可采边界。其中5201巷的设计长度、巷道断面宽度、巷道断面高度分别为：1 785 m、5 m、3.5 m，巷道掘进的煤层为2 号煤层、平均厚度在2.72 m 左右，煤层含夹矸2 层。煤层的走向为北西——南东，煤层结构不是很复杂，同时2 号煤层在伪顶以泥岩为基础，中位厚度约为0.25 m；直接顶以粉细砂岩为基础，中位厚度在15.2 m 左右。5201 巷使用的为综合机械掘进，当前共掘进了520 m，巷道掘进到530 m 位置时巷道北侧25 m 可见X4 陷落柱、长度为35 m，短轴的长度18 m 左右，这一陷落柱对巷道掘进长度构成一定的影响。巷道掘进到510 m 的时进到X 陷落柱应力区，受到陷落柱应力因素所影响，巷道前期掘进时顶板破碎和片帮问题比较严重，需要在第一时间通过密集锚网索维护，联系具体情况来看使用的时间较长，若想达到应力区巷道的相关标准有一定难度。

2 以往支护作业中暴露出来的问题研究

采用传统支护工艺，多会通过锚网对巷道顶板作以支护处理，在顶板平整性较佳工作面中应用效果可靠、有效，但在5201 巷软薄岩顶板中运用无法获得理想的支护效果，究其原因和这一巷道掘进断面非常大、软薄岩节理发育破碎易致使支护失效、顶板下沉等因素，存在紧密关联性[2]。锚索支护期间钻孔用水量较大，所以会导致施工的挑战性加大，使用传统锚网索支护技术不能达到实际支护的需要。

因5201 巷复合顶板的压力不会很小，因而单独通过工字钢棚实行顶板支护，不能很好的抵消顶板压力，这时则会出现离层的现象。顶板压力更大、工字钢棚棚腿变形的可能性则会提升，因而必然会加大使用人员的工作量、工作压力，以及后期维护量等，而且容易使得掘进工作面推进速度减缓、工字钢棚投入资金增加，提示单独通过架棚支护的方式作业，不能在较短时间完成掘进的要求。

3 破碎顶板中锚杆架棚支护技术的应用

锚杆架棚支护技术的应用，具备主动性承载、及时性承载方面的优势，锚杆经托盘、钢带，以及锚固剂、巷道围岩等，会逐渐形成受力的主体，促使岩石为载荷、承载体[3]。顶板保持完整，便于使得施工作业更加顺利的实施，顶板相对破碎顶板暴露过大的面积，打设锚杆的时间缩短，打锚杆眼使得围岩发生震动所致冒落现象，直接关系到施工的整体进度，因而建议合理使用锚杆架棚支护技术处理。

3.1 掌握支护的基本原理

掘进巷道顶板压力不断增加，因工字钢棚支撑能力下降，顶板变形下沉量会随之发生变化，此时工字钢棚仅可对顶板离层支护，但不能实行下沉顶板支护处理，如果发生掘进巷道顶板严重下沉问题，工字钢棚棚腿出现变形/断裂的概率加大。通过使用锚网支护便于满足巷道围岩加固的需要，保证顶板支撑承载力的同时，还可以达到主动支护的要求，但不建议在软薄型复合顶板中应用。选择联合支护方式，会借助锚网的作用实现支护加固的效果，通过采用钢棚实行顶板支护加固巷道围岩、支撑工作，故而可在软薄型复合顶板中予以广泛应用、推广。

3.2 确定相关支护的参数

锚网支护长度、直径分别使用2 m、20 mm 左旋螺纹钢锚杆，为所有锚杆配套两卷型号的数值药卷，即为32360 树脂药卷、Z2360 树脂药卷，邻近锚杆的距离设置为0.8 m 左右，邻近两排锚杆的距离设置为0.6 m，实行金属网顶板支护、钢带顶板支护。巷道两侧锚杆采取长度2.2 m 钢锚杆、直径20 mm 钢锚杆，同样为所有的锚杆配套树脂药卷，但配套的为1套S2360 树脂药卷，建议将邻近锚杆间距设置为1 m、邻近锚杆排距设置为1 m。

工字钢棚通过工字钢梁构成，邻近工字钢棚距离可设置为1m，然后将棚梁的距离设定为5 m、棚腿的距离设定为3.5 m，在掘进工作面后12 m 左右位置进行工字钢棚安装。

3.3 施工工艺情况

经联合支护设备作业，可达到对顶板支护、侧帮支护的理想效果，这个过程中要求考虑到安装时间、安装地点，确保所有支护设备能相互配合，具体应该遵循钻钉炮孔、铺设金属网、安装钢带和顶锚杆，以及及时清理浮煤、钻帮炮孔、顶锚杆安装、工字钢喷的顺序进行支护作业[4]。

3.4 分析架棚支护失败成因

离层破碎顶板容易发生离层及冒落的现象，不能形成整体承载结构，随着巷道掘进开挖的深入会产生临空自由面，这时应力再次分布、软弱围岩发生离层受到破坏的可能性加大。与此同时，架棚支护无法很好的支撑围岩、提高支撑水平，一般情况会在围岩应力释放期间，为巷道顶板下沉、两帮为鼓起的状态，围岩、架棚为贴近的状态才可以发挥出钢棚支撑的作用。如果巷道遭到应力因素所影响，围岩压力高于钢棚、围岩的支撑力，引发架棚变形、支护不成功的问题可能性加大。

锚杆支护作为防御支护的有效方法，离层破碎岩体锚杆能在第一时间使岩体、上位岩体挤压并加固，利于避免产生顶板岩石离层破碎范围加大的现象。在顶板来压的时候，建议经加大锚固的范围进行处理，以此保证加固厚度适中、锚固区岩体强度、锚固区岩体剪切强度，同时对深部围岩侧向的约束力加以保障[5]。不仅如此，同时可很好地维护锚固区外围岩弱面力学性能，使得深部围岩强度、稳定性提升，这一支护不需投入过多资金及人力资源、成巷的速度非常快、回采面端头维护工艺操作简便，便于有效维护矿井企业方面的效益，然后联系矿回采巷道顶板离层破碎主要特点确定支护的方式。

3.5 巷道围岩变形的主要特征

使用十字布点法加大对巷道变形特征的监测，巷道两帮移近量会在成型2 周内不断增加，在成型3～4 周缓慢加大，1 个月后处于稳定的状态；顶板移近量会在成型3 周内持续加大，3～7 周缓慢增加、7周后保持稳定，平均巷道顶板移近量为235.6 mm±15.8 mm。顶板离层量，容易受到时间变化而发生改变，顶板离层量会在巷道成型3 周内不断加大，这一时期最大顶板离层量为15 mm 左右；巷道成型3～7周缓慢增加，最大顶板离层量约为16 mm；巷道成型7 周后稳定，最大顶板离层量在20 mm 左右。

3.6 实行矿压观测

进行顶板离层、下沉量方面观测非常关键，直接关系到测定的效果，应在超前支护区、非超前支护区，分别设置2 套顶板离层指示仪，高度设计为：6.2 m、2 m，观测的时间为1 个月[6]。非超前支护区永久支护前顶板为离层的状态，锚盘、顶板无法保持稳定，而这也是造成巷道开挖后顶板严重下沉的主要原因，通常下沉≥30 mm。锚盘、顶板无法保持平衡，直接关系到锚杆、还容易引发顶板下沉的现象，锚固范围2 m 内、锚固区6.2 m 外离层显著，锚固范围中的岩层可当作承载体，铺设金属棚后位移情况得以有效控制。与此同时，超前锚杆支护区因巷道开挖前实行顶板方面控制工作，永久支护前能够保证顶板的完整性、巷道稳定性，锚固范围内顶板离层位移在12 mm 左右，锚固范围外6.2 m 位移量控制效果较佳，为相同时期非超前支护区离层位移量35%左右。可见，超前锚杆、永久锚杆支护结合起来，对控制破碎顶板下锚固范围岩层变形发生率有积极的影响，同时会逐渐形成承载体，对锚固范围外的离层加以控制[7]。实行超前锚杆支护能有效处理围岩震动、冒落相关问题，破碎顶板.直接顶作为偌层理结构围岩没有开挖前，使用锚杆支护技术能对顶板支护，确保开挖后原岩的完整性，防止发生围岩严重形变问题。

4 结语

本文以5201 巷道为例，通过对传统支护工艺的分析发现存在较多不足，因而建议使用锚杆架棚支护技术处理，以便提升顶板支护方面的能力，有效弥补传统工艺技术的不足，比如降低工作人员工作量、后期维护量、资金投入等，从而充分发挥出该项技术在破碎顶板中的应用价值。