李 帥，李 鵬，宋士康，孔憲偉

(陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司 綜采隊(duì)，陜西 咸陽(yáng) 713600)

0 引言

我國(guó)很多礦區(qū)巷道埋深大，水文條件復(fù)雜，在工作面回采時(shí)兩順槽巷道經(jīng)常因?yàn)閴毫Ω摺⒘芩看?、頂板失修，需多次支護(hù)以保證頂板安全。很多研究資料表明[1-3]，40%～50%的煤礦事故為頂板事故。頂板事故與礦山壓力、瓦斯突出突水、沖擊礦壓等關(guān)系密切[4]。所以，尋找合適的頂板加固方案對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)有著極其重要的研究意義。

在巷道頂板加固方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了諸多研究。傳統(tǒng)的懸吊理論、組合梁(拱)理論強(qiáng)調(diào)發(fā)揮錨桿支護(hù)作用；圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論[5]強(qiáng)調(diào)錨桿對(duì)圍巖強(qiáng)化作用；高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論主張采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)，以提高巷道圍巖支護(hù)體力學(xué)性能[6]；耦合支護(hù)理論主張圍巖與支護(hù)在強(qiáng)度及剛度上耦合，以提高整個(gè)支護(hù)體系的穩(wěn)定性[7]；疊加拱承載體強(qiáng)度理論針對(duì)圍巖二次支護(hù)，提出由主、次壓縮拱共同構(gòu)成疊加拱承載體來(lái)有效控制圍巖穩(wěn)定[8]。為此，主要從二次支護(hù)的優(yōu)化方面入手，采用梁式耦合加固技術(shù)加強(qiáng)頂板控制，通過(guò)一次架設(shè)工字鋼，有效避免了兩順槽頂板多次補(bǔ)打錨索的加強(qiáng)支護(hù)手段，既控制了頂板安全又節(jié)省了巷道支護(hù)成本，對(duì)同類型的巷道頂板控制提供了可行性的支護(hù)建議。

1 工程概況

1.1 工作面概況

104工作面為一盤區(qū)第4個(gè)工作面，開采延安組4煤層。井下位于西部一盤區(qū)回風(fēng)大巷東部，北部為101、103、102采空區(qū)，附近周圍均為石炭區(qū)。工作面底板標(biāo)高+78.264～+110.92 m，工作面回采長(zhǎng)度1 276 m，面寬112 m，面積約142 912 m2，煤層厚度9.3～16.4 m，均厚為12.85 m，屬于特厚煤層，煤層傾角2°～6°，平均3°。老頂為中粒砂巖，平均厚度3.9 m；直接頂以泥巖為主，平均厚度0.44 m；直接底為鋁質(zhì)泥巖，平均厚度2.45 m；老底為泥巖，平均厚度20.95 m。

1.2 運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)

104運(yùn)輸順槽規(guī)格：矩形斷面，巷道凈寬6.0 m，凈高3.6 m，凈面積21.6 m2。具體支護(hù)參數(shù)如下。

錨桿：采用φ22 mm左旋無(wú)縱勒高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，長(zhǎng)度2 800 mm，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排錨桿為6根，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的高強(qiáng)度球型托盤，每孔用2支MSK2850樹脂藥卷，鋼帶規(guī)格為5 600 mm×250 mm×2.75 mm的W型鋼帶。

錨網(wǎng)：頂板采用規(guī)格為6 200 mm×1 350 mm的塑鋼網(wǎng)，兩幫采用規(guī)格為2 700 mm×1 350 mm的雙向拉伸塑料網(wǎng)，網(wǎng)片之間搭接使用，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不小于100 mm，網(wǎng)片之間每隔300 mm用12#鐵絲連接牢固。

錨索：沿巷道掘進(jìn)方向布置五路錨索(五花布置方式，及錨索梁布置方式為“三二三”)，錨索梁排距為4 000 mm(即錨索排距為2 000 mm)；中間一路錨索按巷道中心線偏左200 mm布置，其他四路錨索距巷道中心線1 100 mm及2 200 mm對(duì)稱布置，同一路錨索梁端頭至端頭間距1 500 mm，錨索均采用1×19-φ21.8 mm的預(yù)應(yīng)力非鍍鋅鋼絞線截制而成，長(zhǎng)度均為6.5 m(隨煤厚變化情況及時(shí)調(diào)整并及時(shí)補(bǔ)充措施)，每條錨索梁2條錨索線，錨索線打設(shè)垂直于巖面，每孔裝入3支MSK2350樹脂藥卷。錨索梁采用高凸梯形鋼帶加工制作而成，規(guī)格為2 500 mm×140 mm×8 mm，兩錨索孔間距為2 000 mm。每條鋼鉸線使用一個(gè)鋼板托盤和一個(gè)與鋼鉸線配套的QLM型鎖具固定，配套托盤使用鋼板制作90 mm×90 mm×8 mm(長(zhǎng)×寬×厚)。具體支護(hù)方式如圖1所示。

a-運(yùn)輸順槽走向剖面圖；b-運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)剖面圖圖1 104工作面運(yùn)輸順槽走向及支護(hù)剖面圖

2 梁式耦合加固技術(shù)

2.1 梁式耦合加固技術(shù)控制頂板原理

高家堡煤礦104工作面運(yùn)輸順槽頂板巷道-梁耦合作用主要表現(xiàn)為：低位巖層中形成的錨桿組合梁既可有效控制淺部巖層，又可以促進(jìn)深部錨索壓縮拱的形成，改善巷道周圍應(yīng)力狀態(tài)，提高其承載能力。深部巖體的錨索承載拱一方面可以減緩下部工字鋼梁承受的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，具有較好的減壓作用；另一方面使組合梁的實(shí)際受力跨度減小，從而減小其承受的最大拉應(yīng)力，具有減跨作用。工字鋼梁與錨桿錨索形成的壓力拱互為依托，相互耦合，構(gòu)成了巷道支護(hù)的結(jié)構(gòu)主體，形成了圍巖與支護(hù)的共同體，增強(qiáng)了圍巖的承載能力。具體耦合受力情況如圖2所示。

圖2 巷道耦合加固受力圖

2.2 梁式耦合加固技術(shù)施工情況

高家堡礦井位于陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)，屬于埋深超過(guò)800 m的大埋深礦井，水文地質(zhì)條件類型屬于復(fù)雜型。104工作面巷道頂板賦存水量大，且淋水具有一定的腐蝕性。工作面推采過(guò)程中，受工作面動(dòng)壓及臨近采空區(qū)靜壓影響，巷道變形明顯，頂板變形量大，同時(shí)頂板支護(hù)錨網(wǎng)索受淋水影響，腐蝕明顯，頂板支護(hù)強(qiáng)度大大降低。伴隨工作面推采，兩順槽頂板出現(xiàn)不同程度錨網(wǎng)開裂、頂板下沉、錨索斷裂甚至局部冒頂。以往針對(duì)巷道變形一般采用補(bǔ)打錨索加強(qiáng)頂板控制的方式，在頂板失修時(shí)補(bǔ)打錨索進(jìn)行二次支護(hù)，雖然在一定程度上起到加強(qiáng)頂板控制的效果，但是只能局部加以控制，當(dāng)工作面繼續(xù)推采時(shí)，失修部分仍能出現(xiàn)較大程度的變形。為解決局部補(bǔ)打錨索對(duì)頂板控制的局限，104工作面兩順槽優(yōu)化了巷道頂板二次支護(hù)方式，采用梁式耦合加固技術(shù)加強(qiáng)頂板控制，通過(guò)錨索固定工字鋼(工字鋼垂直于巷道掘進(jìn)方向按1 m排距布置，兩端用6.2 m錨索固定頂板)，在加強(qiáng)頂板二次支護(hù)的同時(shí)，使頂板連接耦合成一個(gè)整體，尤其是工字鋼進(jìn)入兩順槽超前架組段時(shí)，工字鋼與架組形成整體配合，有效制止了頂板漏冒，保證了工作面正常安全推采。具體施工情況如圖3所示。

a-工字鋼與超前架配合接頂平面圖；b-工字鋼耦合加固示意圖圖3 梁式耦合加固技術(shù)施工圖

以前對(duì)頂板進(jìn)行二次支護(hù)時(shí)，錨索按照間排距1 m×1 m進(jìn)行布置，每米巷道布置4組(8條)6.2 m錨索，當(dāng)超前架組推至補(bǔ)打錨索處時(shí)，局部頂板變形又需要進(jìn)行補(bǔ)打錨索，每米巷道平均補(bǔ)打2條6.2 m錨索。使用梁式耦合加固技術(shù)后，每米巷道只需打設(shè)2條6.2 m錨索，架設(shè)工字鋼后即可完成頂板的二次支護(hù)。以往每條巷道頂板二次支護(hù)每班需要3人，每天需安排3班施工才能滿足工作面推采要求，使用梁式耦合加固技術(shù)，每條巷道每天只需使用3人，既能滿足工作面推采要求，在節(jié)省支護(hù)材料的同時(shí)，還能有效地減少人工消耗，又能提高了巷道頂板控制效果。

3 工程實(shí)踐效果分析

3.1 巷道頂板控制效果分析

104工作面運(yùn)輸順槽端頭易發(fā)生頂板下沉事故，在使用梁式耦合加固技術(shù)對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)后，監(jiān)測(cè)距離工作面30 m范圍內(nèi)的頂板下沉量，監(jiān)測(cè)30次取平均值繪制出的距工作面不同距離處頂板下沉量變化曲線，如圖4所示。

圖4 距工作面不同距離處頂板下沉量變化曲線

圖4為距工作面不同距離處頂板下沉量變化曲線，由圖可知在距離工作面0 m處巷道受采動(dòng)應(yīng)力和超前支承壓力的雙重疊加影響，圍巖變形速率和變形量非常大，在使用原來(lái)支護(hù)方案時(shí)最大下沉量平均為2.137 m，隨著工作面的推進(jìn)，巷道受到的應(yīng)力逐漸降低，圍巖應(yīng)力通過(guò)變形得到釋放，頂板下沉量隨著距離的增大逐漸降低；在使用耦合加固后，巷道頂板下沉量得到進(jìn)一步控制，在0 m處控制效果最為明顯，相比耦合加固前，巷道頂板下沉量降低了1.182 m，控制效果提高了55.4%，隨著距離的增大加固效果逐漸降低，但是與原支護(hù)方案相比頂板下沉量得到了有效控制。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

原錨索支護(hù)方式頂板加固成本為每米巷道平均使用10套6.2 m錨索、5條1.4 m梯形鋼帶，支護(hù)成本10×145.28+5×94.4=1 924.8元，自9月1日～11月4日，104工作面累計(jì)推采239.15 m，生產(chǎn)65 d，加強(qiáng)支護(hù)使用工人65×3×3=585人，人工費(fèi)用280元/工×585人=163 800元。則原支護(hù)成本共計(jì)：1 924.8×239+163 800=62.382 7萬(wàn)元。

優(yōu)化支護(hù)方式后頂板加固成本為每米巷道使用11#工字鋼4.5 m，6.2 m錨索2套，工字鋼按照30%進(jìn)行回收利用，支護(hù)成本4.5 m×26.5 kg/m×5.43元/kg×0.7+145.28×2=743.83元，人工費(fèi)用65×3×280=54 600元。則優(yōu)化后成本共計(jì)：743.83×239+54 600=23.237 5萬(wàn)元。

顯然，該方法經(jīng)濟(jì)效益為：62.382 7萬(wàn)元-23.237 5萬(wàn)元=39.145 2萬(wàn)元。

4 結(jié)論

(1)梁式耦合支護(hù)技術(shù)適用于工作面兩順槽巷道壓力高、淋水量大、頂板失修，需多次支護(hù)以保證頂板安全的巷道。

(2)錨索固定工字鋼的耦合支護(hù)方式可使頂板連接一個(gè)整體，有效控制頂板漏冒，保證工作面的正常安全推采，提高巷道支護(hù)效果，減小頂板下沉量。

(3)梁式耦合加固技術(shù)可以減少錨桿、錨索等支護(hù)材料的費(fèi)用，降低人工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。