管棚超前預支護在過破碎含水陷落柱中的應用

李冰哲

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048006）

引言

在巷道掘進過程中經常會遇到斷層破碎帶，它影響了掘進速度，而且給安全生產帶來了負面因素。所以選擇合理的支護方法是達到過斷層陷落柱安全、快速、可靠的關鍵。特別在遇到含水量較大、頂板破碎嚴重的陷落柱構造區，需要采用先管棚注漿，后掘砌通過的施工方案，結合“短探、短注、短掘”工藝[1]，保證陷落柱區域順利通過。以岳城煤礦1307工作面為例，工作面回采至390 m 時遇到陷落柱DX214，巷道頂底板變形嚴重且呈現流變性，采用了管棚預支護+超前預注漿+補強支護后，有效保持了頂底板圍巖的整體結構，具有一定的借鑒意義。

1 現場概況

岳城煤礦1307 工作面為該礦西翼第三個工作面。該工作面長度756 m，可采長度708 m，煤層的平均厚度為4.66 m，采高3 m，煤層傾角1°～9°，工作面主要構造為陷落柱和正斷層。其工作面位置如圖1。

圖1 1307 工作面及DX214 陷落柱位置圖

1307 工作面回采至390 m 時，物探報告分析存在陷落柱DX214，長軸約72 m，短軸約65 m，陷落柱影響巷道前方至少100 m 范圍。陷落柱前后50 m 左右范圍內巷道頂底板圍巖變形嚴重且不規則分布，松散軟巖呈現出較強的流變性。因此有必要對陷落柱前后進行管棚預支護+超前預注漿+補強支護的聯合支護方法，保證工作面安全高效回采。

2 支護方案

2.1 方案選擇

針對不導奧灰水地質條件下陷落柱情況設計不同的支護方案：

1）當陷落柱異常帶區域頂板不破碎時，順槽擬采用的設計方案為：架棚+錨桿（索）；大巷擬采用的設計方案為：架棚+錨桿（索）+噴砼全斷面支護體系。

2）當陷落柱異常帶區域頂板極度破碎時，順槽擬采用的設計方案為：超前預注漿加固+架棚+錨桿（索）；大巷擬采用的設計方案為：超前預注漿加固+可伸縮性U 型金屬棚+錨桿（索）+噴砼全斷面支護體系[2]。

3）當陷落柱異常帶區域頂板含水極度破碎時，擬采用的設計方案：超前管棚支護+預注漿加固+可伸縮性U 型金屬棚支護體系。

2.2 參數設計

2.2.1 管棚尺寸

2.2.1.1 棚長度

采用長度小于10 m 的短管棚，管棚長度可按下式確定：

式中：L為管棚長度，m；φ 為圍巖的內摩擦角，（°）；H為圍巖的塌落高度，m。

根據岳城煤礦巷道圍巖條件及巷道情況，巷道一次開挖長度一般為10 m，圍巖塌落高度在5～13 m左右，同時結合巖體的內摩擦角φ，初取L=6 m。

2.2.1.2 鋼管規格

鋼管示意圖如下頁圖2。

鋼管一般采用熱軋無縫鋼管，首節管端削成錐狀便于導向插入，兩根鋼管連接時宜采用100 mm 左右的絲扣連接。同時為便于水順利流入鋼管，安裝時被切削的一面垂直朝上布置。

2.2.2 管棚位置參數

1）開孔位置。為保證管棚結構剛性，管棚的開孔位置不能與輪廓線過遠，尤其是小直徑管棚距離要求更高，一般取鋼管中心距離開挖輪廓線30 cm。

2）環向間距。管棚間距與施工精度、相鄰管棚間巖土的穩定性和防水系數相關。環向間距一般取0.3～0.4 m。

3）傾角。U 型棚鋼管布置圖如圖3 所示。

圖2 鋼管示意圖（單位：mm）

圖3 管棚支護斷面圖（單位：mm）

鉆孔施工時，為有效抵消鉆頭下垂引起的侵限問題，實際施工時會向巷道道輪廓外有個角度，一般根據管棚長度，仰角范圍為1°～5°[3]。而對于含水量較大的巷道，管棚有一定的仰角有利于水的流入。由于本方案設計管棚長度6 m 為短管棚，所以采用較大仰角設計為5°，方向與線路中線平行。

4）搭接長度：U 型鋼棚距為800 mm，為保證前后兩根管棚搭接牢固可靠，設計鋼管搭接長度為1 200 mm，如圖4 所示。

支護效果圖見圖5。

圖4 管棚搭接示意圖（單位：mm）

圖5 管棚支護效果圖

2.3 施工要求

1）提前對構造進行探測，掌握構造類型、分布區域，為修改完善支護設計和巷道安全施工奠定前提基礎。

2）微震爆破或使用機械掘進。炮掘時要合理布置掏槽，減少裝藥量，防止震動過大出現冒頂片幫事故。機械掘進時，截齒從巷中向周邊破巖，預留周邊用風鎬刷大到設計斷面。

3）超前支護。超前支護除了超前預注漿、使用探頂桿外，如果工作面圍巖隨掘隨冒，采用撞楔法超前護幫護頂。如果工作面片幫嚴重，采取先架棚后出巖的方式施工，確保支架緊貼迎頭巖面。

4）無論斷層與陷落柱，極易于含水，如果過斷層和陷落柱時，水量過大，支護時要考慮留有泄水孔。如果水量過大，探明水的來源，若水與承壓水有關聯，嚴格按照煤礦承壓水防治要求執行。

5）由于構造帶煤巖層松軟破碎并一定程度含水，故錨桿錨索的可錨性與注漿質量密切相關。施工中，對錨桿和錨索的可錨性通過拉拔試驗進行檢測。滯后再次注漿對于增強可錨性有重要關系。

3 效果驗證

工作面管棚預支護+預注漿通過陷落柱后，分別對巷道圍巖應力和頂底板、兩幫移近量進行對比監測。監測結果表明，工作面進入陷落柱后，巷道變形進入加速階段，隨后逐漸趨于收斂，在礦壓監測周期一個月內收斂量達到穩定，破碎帶圍巖自穩。頂底板最大平均移近量為217 mm，兩幫收斂量為133 mm；頂底板移近量均大于兩幫收斂量。

4 結論

1307 工作面回采期間，隨著工作面推進巷道初期頂板下沉量、頂底板收斂量和兩幫變形速率均較快，兩周左右后各項位移曲線逐漸變緩。30 d 內頂底板最大收斂量為217 mm，趨于穩定，巷道兩幫30 d內最大收斂量為133 mm。說明基于管棚支護的超前加固聯合支護技術對復雜地質條件下松軟破碎煤巖巷道的變形控制極為有效，管棚支護對于緩解陷落柱柱體邊界高應力變形效果明顯。