徐江山

巷道在掘進(jìn)過程中圍巖主要通過合理有效的支護(hù)進(jìn)行維護(hù)，從而達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定性，防止圍巖破碎、冒落的目的；在實際巷道掘進(jìn)過程中，若巷道圍巖（特別是巷道頂板）出現(xiàn)破碎現(xiàn)象時，必須根據(jù)圍巖巖性、巖體內(nèi)產(chǎn)生松動圈范圍以及巖體破碎程度合理選擇支護(hù)設(shè)計［1］，只有這樣才能有效控制圍巖破碎現(xiàn)象。本文以小西煤礦3107 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)為例，對巷道掘進(jìn)過程中破碎頂板采取傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計主要存在的問題進(jìn)行分析，通過理論分析，提出了JW型錨索梁支護(hù)，通過實踐應(yīng)用驗證了該支護(hù)設(shè)計可靠性。

1 概述

山西陽城陽泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司3107 運(yùn)輸順槽位于井田一盤區(qū)西部，巷道東西走向布置，東部為一盤區(qū)主巷道，南部為3105 采空區(qū)（已密閉），西部為3#煤采掘區(qū)域，北部為3109 工作面（設(shè)計規(guī)劃階段）。

3107 運(yùn)輸順槽設(shè)計長度為960 m，巷道采用矩形斷面布置方式，斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×4.0 m。巷道沿3#煤層頂?shù)装迤叫芯蜻M(jìn)，3#煤層屬石炭系煤層，煤層整體坡度變化不大，平均為3°，成東高西底走向趨勢； 根據(jù)煤層柱狀圖發(fā)現(xiàn)，3#煤層內(nèi)共計有3 層夾矸，總厚度為1.2 m，主要為砂質(zhì)泥巖；煤層直接頂主要以炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為3.7 m，巖體成鱗狀互層結(jié)構(gòu)；基本頂主要為粗砂巖，厚度為11.5 m。

根據(jù)小西煤礦物探及三維地震成像顯示，3107巷掘進(jìn)至290 m處位于北側(cè)（3109 回采區(qū)域）32 m處含有一條X1 陷落柱。陷落柱成橢圓狀，陷落柱長軸長為45 m，短軸長為23 m，長軸與3107 巷平行布置，該陷落柱對巷道掘進(jìn)影響較大，預(yù)計影響長度為50 m。

2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及原支護(hù)分析

2.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

3107 巷采用機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截止目前巷道已掘進(jìn)310 m。巷道掘進(jìn)至287 m處時位于陷落柱側(cè)巷幫相對破碎，巷幫支護(hù)失效嚴(yán)重，并伴隨著頂板局部破碎現(xiàn)象；當(dāng)巷道掘進(jìn)至294 m處時，受陷落柱構(gòu)造應(yīng)力、3105 采空區(qū)應(yīng)力集中影響，巷道兩幫收斂量逐漸增大，頂板出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象，頂板支護(hù)困難；當(dāng)巷道掘進(jìn)至310 m處時距陷落柱側(cè)巷幫1.2 m處出現(xiàn)漏頂，漏頂高度為2.5 m，寬度為1.6 m，原頂板支護(hù)對巷道維護(hù)效果差。

2.2 巷道原支護(hù)設(shè)計

3107 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至290 m處，小西煤礦對巷道支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后頂板采用錨索配合M 型鋼帶支護(hù)方式，每排布置5 根錨索，錨索長度為5.0 m，鋼帶寬度為0.15 m，長度為3.8 m； 當(dāng)巷道掘進(jìn)至300 m處開始對頂板施工11#工字鋼錨索吊棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，吊棚布置間距為2.0 m，吊棚長度為3.5 m，每架吊棚采用兩根錨索起吊預(yù)緊。

2.3 原支護(hù)問題分析

（1）支護(hù)斷面?。哄^索梁支護(hù)主要作用是對破碎圍巖表面進(jìn)行保護(hù)并具有一定的抗壓載荷能力，所有錨索梁承載件必須具有一定寬度達(dá)到支護(hù)頂板的要求，同時承載件必須具有足夠的抗變形強(qiáng)度以支護(hù)無效主動支護(hù)空間的破碎巖體，見圖1；但是原支護(hù)設(shè)計中M型鋼帶寬度小且剛度低，支護(hù)斷面?。还ぷ咒撆镫m然支護(hù)強(qiáng)度相對較高，但是由于工字鋼梁腰部鋼板厚度小，在強(qiáng)應(yīng)力作用下腰部鋼板很容易出現(xiàn)“擊穿、斷裂、扭曲”現(xiàn)象［2］。

圖1 錨索梁（帶）支護(hù)作用原理

（2）對頂板產(chǎn)生二次破壞作用：原支護(hù)設(shè)計中頂板采用工字鋼進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，受工字鋼梁結(jié)構(gòu)影響，工字鋼錨索吊棚屬于線性主動支護(hù)，該支護(hù)在砂質(zhì)穩(wěn)定巖體中應(yīng)用效果好，但是對于3107 運(yùn)輸順槽應(yīng)力沖擊區(qū)不穩(wěn)定巖體，該支護(hù)起不到預(yù)期支護(hù)效果［3］，且鋼梁兩側(cè)線型邊對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用，對頂板產(chǎn)生二次破壞，加劇頂板破碎程度。

（3）支護(hù)強(qiáng)度大、成本費(fèi)用高：工字鋼錨索吊棚每米重量達(dá)25 kg，每架工字鋼錨索吊棚重量達(dá)100 kg，每架吊棚成本費(fèi)用為870 元；施工一架所需工時為1.6 h，并需5 人配合施工，不僅勞動強(qiáng)度大、支護(hù)作業(yè)時間長［4］，增加支護(hù)成本及勞動成本費(fèi)用。

3 JW 型錨索梁應(yīng)用分析

為了解決傳統(tǒng)11#工字鋼錨索吊棚在破碎頂板支護(hù)中出現(xiàn)的技術(shù)難題，小西煤礦通過技術(shù)分析，決定對3107 運(yùn)輸順槽破碎頂板采用JW型錨索梁支護(hù)。

3.1 施工工藝

（1）3107 運(yùn)輸順槽破碎頂板采用JW型錨索梁主要由高錳鋼通過模具一次性澆筑而成，鋼梁厚度為50 mm，鋼梁中部成W型，兩側(cè)成J型，鋼梁寬度為0.35 m，長度為3.8 m，見圖2，鋼梁屈服強(qiáng)度為580 MPa，最大承載能力為720 kN。

（2）JW型錨索梁上焊制4 個長為0.1 m，寬為0.05 m長方形支護(hù)孔，孔間距為1.2 m，每架JW型錨索梁配套4 根長度為7.0 m，直徑為21.8 mm高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)錨索，錨索抗拉強(qiáng)度為860 MPa，延展率為32%, 每根錨索采用兩支超快速，一支快速樹脂錨固，錨固力為370 kN。

（3）為了避免破碎頂板支護(hù)密集出現(xiàn)頂板擾動破壞作用，決定在3107 運(yùn)輸順槽破碎頂板施工JW型錨索梁代替錨桿、單錨索以及工字鋼吊棚，施工排距為1.5 m，巷道破碎頂板處共計施工35 架JW型錨索梁。

圖2 JW 型錨索梁支護(hù)剖面

3.2 支護(hù)優(yōu)點(diǎn)

（1）支護(hù)成本費(fèi)用低：3107 運(yùn)輸順槽原支護(hù)設(shè)計中破碎頂板需施工25 架工字鋼棚，50 架鋼帶以及250 根頂板錨桿，共需支護(hù)成本費(fèi)用為7.42 萬元；采用JW錨索梁后支護(hù)成本費(fèi)用為2.63 萬元，支護(hù)成本降低了4.79 萬元。

（2）縮短支護(hù)作業(yè)時間：傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計巷道每掘進(jìn)1.0 m支護(hù)作業(yè)時間為1.7h，而采用JW錨索梁后每掘進(jìn)1.5 m支護(hù)作業(yè)時間為0.8 h，百米巷道掘進(jìn)支護(hù)作業(yè)時間可縮短116.7 h，大大提高了巷道掘進(jìn)效率；同時JW錨索梁支護(hù)時僅需3 人配合施工即可，降低了支護(hù)勞動作業(yè)強(qiáng)度［5］。

（3）提高了支護(hù)效果：與傳統(tǒng)M型鋼帶相比，JW錨索梁支護(hù)斷面達(dá)0.14 m2，支護(hù)斷面大，而且支護(hù)強(qiáng)度高，錨索梁能夠?qū)o效主動支護(hù)空間的破碎巖體進(jìn)行充分支護(hù)作用； 與11#工字鋼梁相比，JW 錨索梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形機(jī)率小，有效解決了工字梁在支護(hù)時鋼梁腰部出現(xiàn)斷裂以及鋼梁對頂板切頂破壞作用等技術(shù)難題。

4 結(jié)語

小西煤礦為了解決3107 運(yùn)輸順槽破碎頂板原支護(hù)設(shè)計主要存在的問題，對原支護(hù)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。采用了JW型錨索梁支護(hù)，采用該支護(hù)后通過20 d現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在0～8 d范圍內(nèi)由于頂板破碎體在應(yīng)力作用下出現(xiàn)局部蠕動變形以及產(chǎn)生塑性變形位移，頂板下沉量在90～320 mm范圍內(nèi)；在9～15 d范圍內(nèi)頂板應(yīng)力釋放，且錨索梁支護(hù)起到預(yù)應(yīng)支護(hù)效果，頂板下沉量降低，最大下沉量為110 mm；在15～20 d范圍內(nèi)JW型錨索梁完全對頂板應(yīng)力起到控制作用，頂板下沉量趨于零；同時采用JW型錨索梁后提高了頂板整體穩(wěn)定性，降低了頂板應(yīng)力向兩幫傳遞作用，兩幫收斂量控制在150 mm以下，大大提高了矩形斷面巷道成型率，取得了顯著應(yīng)用成效。