軟巖破碎頂板巷道掘進支護優化

章宏光

（大同煤礦集團云岡礦，山西 大同 037003）

1 概述

大同煤礦集團云岡礦311軌道巷位于311盤區西翼，西部未開采，東部為311盤區311皮帶暗斜井、311軌道暗斜井、511回風暗斜井、51101巷皮回橫硐，南部為12#層311盤區311皮帶巷，北部為311盤區511回風巷。巷道設計長度為460m，巷道斷面規格為寬×高=4.5×3.0m，掘進煤層為大同組12#煤層，平均厚度為3.0m，施工巷道沿12#層頂底板平行掘進。

311軌道巷含有偽頂，主要以砂巖、煤以及泥巖混合層為主，平均厚度為1.3m，巖石普氏系數f＜3.0，單軸抗壓強度為15.7MPa；直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為4.09m，巖石普氏系數f＜3.5，單軸抗壓強度為22.1MPa；基本頂主要以砂質泥巖為主，平均厚度為7.8m，巖石普氏系數f＜5.0，單軸抗壓強度為27MPa。頂板整體穩定性差，對上覆巖層承載能力低。311軌道巷在前期開口掘進160m范圍內頂板出現局部破碎現象，在87m處遇F1小斷層，此處頂板出現冒落現象，冒落深度為1.2m，隨著巷道延伸地應力加大，頂板破碎現象嚴重，威脅著巷道施工安全。

2 原支護形式及支護效果分析

2.1 原支護形式

（1）311軌道巷道原支護設計中頂板采用錨桿、M型鋼帶以及金屬網聯合支護。頂板鋼帶采用長度為2.0m，直徑為18mm反麻花式螺紋鋼錨桿，巷道每排布置5根，錨桿間排距為1.0m。

（2）頂板采用的M型鋼帶寬度為0.15m，長度為4.2m，厚度為0.003m，每根鋼帶配套5根錨桿。

（3）頂板金屬網采用14#鉛絲編制的棱形網，網格為50mm，金屬網長度為5.2m，寬度為1.2m，相鄰兩卷金屬網搭接寬度為0.2m。

2.2 支護效果分析

311軌道巷在前期掘進期間采用錨網支護后，頂板破碎、下沉現象未得到有效控制，支護后雖然頂板下沉速度降低，但下沉量仍在增加，頂板支護1個月后最大下沉量達0.38m，錨桿錨固效果差，抗拉拔力不足設計值的60%（設計抗拉拔力為98kN），局部區域頂板鋼帶出現斷裂、錨桿失效現象，巷道成型率差。

3 支護設計優化

為了有效對破碎頂板進行控制，提高支護質量，必須首先確定破碎頂板松動圈影響范圍，然后采取措施提高松動圈內破碎巖體膠結穩定性，并對整體松動圈巖體進行加固。

3.1 頂板破碎松動圈影響范圍確定

通過施工窺視鉆孔，在鉆孔施工期間對鉆孔產生的煤屑量多少以及鉆孔施工后通過窺鏡對鉆孔壁成型情況觀測，從而判斷破碎頂板松動圈在頂板徑向方向影響范圍。

（1）為了全面評估311軌道巷破碎頂板松動圈影響范圍，巷道每隔100m施工一組窺視鉆孔，每組兩個鉆孔。

（2）采用ZDY型鉆機配套直徑為75mm雙翼鉆頭進行鉆孔施工，鉆孔施工深度為10m，鉆孔直徑為75mm，鉆孔垂直頂板布置，每組鉆孔間距為1.0m。

（3）鉆孔施工期間對每米鉆孔產生煤屑量進行記錄。通過現場觀察發現，在0～3.2m范圍內鉆孔產生的煤屑量為4.5kg/m3，隨著鉆孔延伸，鉆孔產生煤屑量呈遞減趨勢，在3.2m～5.0m范圍內鉆孔產生的煤屑量為3.1kg/m3，且在5.0m范圍以外區域穩定。通過窺鏡觀察發現，0～3.0m鉆孔內壁相對破碎，完整性差；在3.0～5.0m范圍內鉆孔內部裂隙多，局部破碎；5.0～10m范圍內鉆孔內壁平滑。

由此可見311軌道巷頂板0～3.5m范圍內應加強維護，采用錨桿、錨索等主動支護對頂板0～5.5m范圍內進行加固。

3.2 支護優化設計

研究決定對311軌道巷頂板0～5.0m范圍內采用淺深孔注漿支護以及施工加長錨索梁棚支護。

3.2.1 淺深孔注漿支護

（1）注漿支護材料主要采用聚氨酯粘合劑，該粘合材料具有對破碎巖體粘結效果好、凝固時間短、裂隙滲透能力強等優點。

（2）為了提高鉆孔支護效果，淺鉆孔與頂板夾角為60°，淺孔深度為3.5m，鉆孔直徑為42mm，每排施工3個注漿孔，鉆孔間距為1.5m，排距為2.0m，鉆孔施工完后依次向鉆孔內高壓注射聚氨酯粘合劑，注漿壓力1.0MPa。

（3）深孔深度為5.0m，鉆孔垂直頂板布置，鉆孔施工在相鄰兩排淺孔中部，每排施工兩個深孔，間距為1.5m，排距為2.0m，深孔注漿時注漿壓力不得低于2.0MPa，主要是對頂板深部裂隙進行填充。

3.2.2 加長錨索棚梁支護

（1）加長錨索棚梁支護主要由3根長度為7.0m、直徑為21.6mm高強度預應力錨索，一根長度為4.2m工字鋼梁，以及長度為3.2m“JW”型鋼帶組成；鋼梁上焊制三個直徑為30mm圓孔，孔間距為1.8m。

（2）首先在頂板施工3根錨索，間距為1.8m，錨索外露長度為0.3m，錨固長度為1.2m，錨索錨固力不得低于100kN，抗拉拔力不得低于170kN。

（3）第一排錨索施工完后，在其下方安裝工字鋼梁，并采用鋼方墊及鎖具進行預緊，相鄰兩排錨索梁棚間距為1.0m。為了提高頂板穩定性，在相鄰三根錨索梁棚之間穿插4根長度為2.4m“JW”型鋼帶，鋼帶間距為1.2m，鋼帶鋼梁垂直布置，鋼帶施工完后將鋼梁與頂板預緊，如圖1所示。

圖1 311軌道巷頂板注漿+加長錨索梁棚聯合支護示意圖

4 應用效果

（1）采用淺孔注漿對頂板松動圈破碎巖體進行了加固，通過對注漿巖體進行單軸抗壓試驗發現，巖體單軸抗壓強度提高至52.4MPa，提高了破碎巖體膠結穩定性及承載能力；同時采用深孔注漿有效對頂板裂隙帶進行填充，提高了頂板整體穩定。

（2）加長錨索梁支護解決了錨索網支護時錨桿失效現象嚴重、鋼帶承載能力低等技術難題，對破碎頂板起到預期主動支護效果，通過后期觀察發現，加長錨索梁支護施工完后未出現錨索失效、鋼梁變形現象。

（3）311軌道巷采取聯合支護設計后，通過對施工處頂板三個月觀察發現，軟巖頂板下沉得到控制，在第一個月內受頂板塑性變形影響，頂板下沉量為0.11m，在后兩個月內頂板下沉量趨于穩定；頂板支護優化后在后期掘進期間未發現頂板破碎、局部冒頂現象。