軟巖煤層頂板下沉區(qū)治理措施研究應(yīng)用

皇甫旭光

（大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

1 概 述

大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司5312巷位于井田三盤區(qū)西翼，巷道設(shè)計(jì)長度為1400m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.0×3.5m，巷道掘進(jìn)煤層為山4#石炭系煤層，煤層平均厚度為3.5m。5312巷無偽頂，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖混合層為主，其中炭質(zhì)泥巖平均厚度為1.4m，砂質(zhì)泥巖平均厚度為4.2m，該巖石層裂隙發(fā)育，巖石普氏系數(shù)f＜3.5，硬度低易破碎；基本頂主要以粗砂巖為主，巖石普氏系數(shù)f＞7.0，硬度高，巷道由機(jī)掘二隊(duì)采用綜合機(jī)械化工藝進(jìn)行掘進(jìn)，截至目前巷道已掘進(jìn)580m。

5312巷頂板支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿、錨索、W型鋼帶聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿長度為2.5m，每排施工5根，每三排錨桿施工一排錨索，錨索間距為1.6m。由于巷道掘進(jìn)至502m處揭露一條F4正斷層，落差1.7m，傾角52°，受采動(dòng)應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力影響，5312巷掘進(jìn)至490m處F4斷層帶附近頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，當(dāng)巷道掘進(jìn)510m處頂板下沉區(qū)下沉量達(dá)0.32m，下沉區(qū)長度達(dá)22m。

2 前期頂板下沉區(qū)治理措施及效果分析

2.1 前期頂板下沉區(qū)治理措施

當(dāng)巷道掘進(jìn)至520m處時(shí)，為了阻止斷層帶附近頂板進(jìn)一步下沉，決定對下沉處采取補(bǔ)打密集支護(hù)并施工假頂進(jìn)行維護(hù)。

（1）補(bǔ)打密集錨索支護(hù)：在距F4斷層10m處開始補(bǔ)打密集單錨索，錨索長度為5.0m，直徑為17.8mm，每排施工三根，錨索間距為1.6m，錨索排距為1.0m，每根錨索配套一塊長度為0.45m，寬度為0.28m鋼帶并采用鎖具將其與頂板預(yù)緊。

（2）人工假頂：待密集錨索支護(hù)施工完后，在頂板下沉區(qū)每隔3.0m施工一架錨索吊棚，錨索吊棚主要由兩根長度為8.0m、直徑為21.6mm高預(yù)應(yīng)力錨索，與長度為4.0m的11#工字鋼配套組成，吊棚與頂板間距為0.5m；吊棚施工完后在相鄰兩架吊棚之間鋪設(shè)厚度為5mm，長度為3.2m，寬度為0.3m木板，木板鋪設(shè)后采用錨索張力器具將吊棚升起，確保木板與頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

2.2 效果分析

（1）由于巷道頂板受構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)壓力影響，頂板破碎嚴(yán)重，通過頂板窺視孔發(fā)現(xiàn)，頂板往上0～3.0m范圍內(nèi)為嚴(yán)重破碎區(qū)，3.0～5.6m范圍內(nèi)為離層區(qū)，在破碎區(qū)域施工密集錨索鉆孔難度大，成孔率低，而且錨索錨固端位于離層區(qū)域內(nèi)，錨索施工完后失效現(xiàn)象嚴(yán)重，失效率達(dá)44%。

（2）F4斷層影響破碎巖體單軸抗壓強(qiáng)度大大降低，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖體單軸抗壓強(qiáng)度僅為9.4MPa，采用人工假頂?shù)姆椒ㄟM(jìn)行破碎頂板維護(hù)時(shí)，由于頂板破碎巖體承載能力降低，頂板壓力集中施加在假頂上，而且隨著破碎區(qū)域不斷向深部巖層延伸，離層區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為破碎區(qū)，造成假頂變形嚴(yán)重，頂板下沉量逐漸加大，當(dāng)巷道施工到540m處時(shí)頂板最大下沉量達(dá)0.47m。

3 頂板下沉區(qū)聯(lián)合治理方法應(yīng)用

為了進(jìn)一步提高頂板下沉區(qū)穩(wěn)定性，研究決定對頂板下沉區(qū)域采取“注漿+架設(shè)U29型鋼棚”等聯(lián)合方法進(jìn)行治理。

3.1 注漿支護(hù)

（1）由于原巷道為矩形斷面，為了提高巷道頂板承載能力，決定將下沉區(qū)域巷道頂板斷面更改為拱形斷面，首先對下沉區(qū)域（490～512m范圍內(nèi)）頂板進(jìn)行挑頂維護(hù)，挑頂高度為0.5m，挑頂后保證巷道高度為4.0m，在挑頂期間每挑頂長度達(dá)0.5m后及時(shí)對巷道頂板采取錨桿、錨索、“W”型鋼帶以及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

（2）當(dāng)巷道挑頂長度達(dá)3m時(shí)，及時(shí)對挑頂區(qū)域進(jìn)行注漿支護(hù)，每排施工四個(gè)垂直頂板注漿孔，且成扇形布置，注漿孔深度為5.0m，孔徑為42mm，鉆孔間距為1.2m，鉆孔排距為3.0m。

（3）鉆孔施工完后采用高壓注漿泵向鉆孔注射馬麗散粘劑，馬麗散粘劑采用馬麗散與催化劑混合比為1:1的混合液，在注射漿液期間發(fā)現(xiàn)破碎巖體出現(xiàn)漿液滲透現(xiàn)象時(shí)及時(shí)停止注漿，并及時(shí)采用水泥砂漿進(jìn)行封孔，封孔長度不得低于0.5m。

3.2 架設(shè)U29型鋼棚

（1）待頂板下沉區(qū)挑頂且永久支護(hù)及注漿支護(hù)全部施工完后，在下沉區(qū)處架設(shè)密集U29型鋼棚，該鋼棚主要由兩節(jié)棚腿，三節(jié)弧形頂梁、拉桿、卡纜等部分組成。其中每節(jié)棚腿長度為1.5m，弧形頂梁長度為2.2m，棚腿底座主要由規(guī)格為長×寬=0.3×0.3m鋼板制成，并焊有兩個(gè)直徑為25mm的圓孔。

（2）首先將底座安裝在堅(jiān)硬底板處，并采用兩根地錨桿將底座錨固在地板上，若底板相對松軟應(yīng)進(jìn)行起底澆筑，同一鋼棚兩個(gè)底座安裝后必須保持在同一水平上。

（3）底座安裝后將棚腿與底座對接并采用兩根長度120mm，直徑為15mm連接螺栓進(jìn)行固定。棚腿與底座固定后為了保證棚腿穩(wěn)固，每根棚腿與巷幫之間采用兩根錨桿及卡纜固定，如圖1所示。

（4）棚腿固定后依次按住弧形頂梁，在安裝頂梁時(shí)應(yīng)搭設(shè)工作盤確保施工安全，頂梁與頂梁之間，以及頂梁與棚腿之間采用卡纜進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200N·m，頂梁安裝后確保頂梁與頂板之間預(yù)留高度為0.15m間隙。

（5）U29型鋼棚架設(shè)間距為1.5m，待所有鋼棚架設(shè)完成后，在頂梁與頂板之間填塞長度為1.5m、寬度為0.3m水泥背板，并采用噴射水泥砂漿的方法將頂板空隙處進(jìn)行封堵。為了保證鋼棚間聯(lián)鎖保護(hù)作用，在相鄰兩架鋼棚之間采用兩組拉桿進(jìn)行固定。

圖1 三盤區(qū)5312巷頂板下沉區(qū)聯(lián)合治理斷面示意圖

3.3 應(yīng)用效果分析

（1）優(yōu)化后，原巷道斷面更改為拱形斷面，有效提高了巷道頂板巖體自身承載能力，而且在拱形巷道施工的錨桿、錨索具有桁架支架作用，提高了支護(hù)效果，降低了外界作用力對頂板的影響。

（2）對巷道頂板施工馬麗散注漿支護(hù)，提高了頂板破碎巖體膠結(jié)穩(wěn)定性及耦合作用，注漿作用降低了頂板離層現(xiàn)象，阻止了頂板巖體破碎范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，增加了巖體單軸抗壓強(qiáng)度，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注漿后巖體單軸抗壓強(qiáng)度提高至64.2MPa。

（3）架設(shè)密集U29型鋼棚對破碎頂板進(jìn)行一步加固，降低了應(yīng)力對頂板的破壞作用，同時(shí)通過噴射水泥砂漿的方法將鋼棚與頂板形成一個(gè)整體，有效降低了頂板下沉現(xiàn)象，通過后期三個(gè)月觀察發(fā)現(xiàn)，5312巷頂板下沉區(qū)采取聯(lián)合治理措施后的第一個(gè)月頂板下沉量為0.12m，在第二個(gè)、第三個(gè)月內(nèi)頂板下沉趨于穩(wěn)定，在F4斷層處應(yīng)力最大，頂板下沉量為0.17m。

4 結(jié)束語

大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司通過技術(shù)研究，對5312巷頂板下沉區(qū)采取“注漿+施工U29型鋼棚”的聯(lián)合方法進(jìn)行治理，實(shí)踐證明，采取聯(lián)合治理措施后，有效提高了破碎頂板穩(wěn)定性，阻止了因頂板下沉發(fā)生冒頂、垮落等事故，保證施工巷道安全掘進(jìn)，取得了顯著安全效益。