“注漿+柔性梯形梁”支護在巷道破碎頂板中應用

晉焱梁

（山西晉煤集團長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048000）

由于巷道過斷層期間頂板巖體強度低、孔隙度大、膠結程度差，頂板巖體嚴重破碎，局部巖層出現離層等現象，甚至出現局部漏頂現象。采用普通錨桿支護時，錨桿錨固端未能完全深入堅硬穩定巖層內，無法起到懸吊作用。頂板的凸凹不平，錨網支護不能完全與頂板接觸，無法形成耦合的支護體，錨桿支護失效嚴重。所以，對于斷層破碎帶頂板，必須根據實際情況采取合理有效的支護措施，才能保證巷道安全快速掘進。本文以長平煤礦五盤區第二回風巷掘進為例，對巷道過斷層破碎帶提出了“注漿+柔性梯形梁”聯合支護措施。

1 概況

山西晉煤集團長平煤業有限責任公司五盤區第二回風巷沿煤層頂板掘進，東部為蘆家峪村和西溝村村莊保護煤柱，西部為礦界保護煤柱，北部為五盤區實體煤，南部為五盤區輔運巷（正在施工）。

五盤區第二回風巷設計長度為2573 m，施工巷道斷面規格為寬×高=5.2×5.7 m，掘進煤層為3#煤層，平均厚度為5.48 m。3#煤層無偽頂，直接頂主要以砂質泥巖、細粒砂巖混合巖層為主，平均厚度為2.7 m；基本頂主要以粗砂巖為主，平均厚度為11.5 m。

第二回風巷采用綜合機械化掘進施工工藝。地質資料顯示，在450～570 m 處共計揭露6 條逆斷層，平均落差為0.8 m，平均傾角為42°。受斷層群影響，巷道掘進至440 m 處頂板出現局部破碎現象，當巷道掘進至446 m 處時巷道中部出現局部冒落現象，冒落高度為0.7 m，原頂板支護設計無法滿足巷道過斷層群支護需求。

2 原頂板支護設計主要存在的問題

2.1 支護強度低

第二回風巷沿3#煤層頂板掘進，巷道直接頂厚度為2.7 m，直接頂巖體單軸抗壓強度為25 MPa，抗壓強度相對較低。巷道在過斷層群時受集中應力影響，直接頂與基本頂之間出現離層現象，且在離層處出現應力破碎現象。而原支護設計中頂板采用的是BHRB500 型錨桿，錨桿長度為2.5 m，錨桿采用端頭錨固方式，錨固長度為0.8 m，錨桿錨固端位于直接頂與基本頂之間。當直接頂出現離層下沉時，錨桿錨固端附近巖體出現破碎現象，錨桿支護失效現象嚴重，降低了錨桿支護強度。

2.2 支護耦合作用差

巷道頂板采取錨桿、錨索支護的目的主要是通過錨桿懸吊作用對不穩定巖體進行懸吊維護，然后再通過錨桿組合梁作用使不穩定巖體形成連續穩定承載機構，從而使錨桿與圍巖間形成耦合作用。但是由于破碎頂板力學性質發生改變，頂板自身整體連續穩定性降低，錨桿支護后懸吊支護作用降低，錨桿與圍巖無法形成耦合支護作用。

2.3 讓壓效果差

原頂板支護設計中頂板采用的是BHRB500 型錨桿，錨桿抗拉強度為180 MPa，錨桿延伸率不足2%，錨桿剛性強，在頂板集中垂直應力作用下，錨桿讓壓效果差，導致錨桿在應力剪切作用下，出現變形、折斷現象。

2.4 擾動破壞嚴重

原支護設計中，頂板每排布置6 根錨桿，排距為1.0 m，每排布置3 根錨索，錨索排距為3.0 m。雖然支護數量滿足支護要求，但是對破碎頂板，支護數量越多，在進行鉆孔施工時鉆孔擾動對圍巖破壞越嚴重，進一步加劇了巖體破碎程度。

3 應力破碎頂板聯合支護設計

3.1 注漿支護

（1）目前煤礦注漿材料主要分為非化學注漿材料及化學注漿材料。非化學注漿材料具有成本費用低、材料廣泛等優點，但是在圍巖高裂隙帶中滲透能力差，粘接時間長；化學材料如脲醛樹脂、聚氨酯、丙烯酰胺等具有滲透能力強、粘接效果好等優點，但是成本費用高。五盤區第二回風巷過斷層群帶時，頂板破碎相對較嚴重，為了提高圍巖穩定性，加快巷道掘進速度，決定采用聚氨酯化學注漿材料。

（2）巷道掘進時頂板破碎區采用超前預注方法。第二回風巷掘進至446 m 處時，在工作面煤壁處施工超前注漿鉆孔。鉆孔距頂板高度為1.0 m，鉆孔仰角為60°，鉆孔深度為5 m，鉆孔終孔位置必須位于基本頂內，每排施工3 個鉆孔，鉆孔間距為1.8 m。

（3）注漿施工時按“由中部向兩幫、由高壓向低壓”的注漿原則，注漿壓力為1.5 MPa。在進行注漿前應對注漿鉆孔進行封孔處理，封孔段位于鉆孔孔口往里1.2 m 范圍內，保證注漿液完全滲透在頂板巖體內。注漿完成2 h 后巷道方可繼續掘進。

3.2 永久支護設計優化

（1）將原頂板BHRB500 型左旋無縱筋螺紋錨桿進行加長，優化后錨桿長度為3.5 m，在錨桿外露端安裝一根長度為0.3 m 高強度讓壓彈簧。

（2）為了降低鉆孔施工擾動對破碎頂板影響，頂板錨桿每排由原來6 根減為5 根，錨桿間距1.3 m，錨桿排距由1.0 m增加至1.2 m，取消原頂板錨索支護。

3.3 柔性梯形梁支護

為了提高頂板支護效果，保證頂板變形時支護體與頂板能夠實現耦合支護作用，決定對斷層群處頂板施工柔性梯形梁支護。

（1）每架柔性梯形梁支護主要由圓鋼、夾板、JW 型鋼帶、高預應力錨索、圓鋼托架等部分組成。柔性梯形梁長度為4.8 m，寬度為0.5 m。如圖1 所示。

（2）圓鋼長度為4.8 m，直徑為16 mm，共計由6 根組成，且采用4 根夾板進行固定，夾板固定間距為1.5 m。梯形梁采用3 根長度為7.0 m、直徑為21.6 mm 高預應力錨索及3 根長度為0.5 m“JW”型鋼帶進行固定，錨索布置間距為1.5 m。

（3）柔性梯形梁支護施工在相鄰兩排錨桿之間，排距為1.2 m。在相鄰兩架梯形梁支護之間采用2 根長度為1.4 m、直徑為20 mm 圓鋼托架連接，間距為3.0 m。

圖1 第二回風巷破碎頂板柔性梯形梁支護平面布置示意圖

4 結語

（1）注漿支護使斷層群破碎、裂隙頂板巖體間充分粘接及填充，破碎頂板重新形成承載梁，巖體單軸抗壓強度提高至57 MPa，提高了圍巖整體穩定性，削弱了頂板垂直集中應力破壞作用。

（2）對原頂板支護進行優化后，不僅加強了錨桿支護效果，降低了錨桿錨固失效率，而且錨桿安裝了讓壓件，在頂板變形、下沉時錨桿能夠適應頂板塑性變形，避免傳統錨桿鋼性大、延展性低，導致頂板變形時錨桿出現剪切破壞現象，提高了錨桿耦合支護作用。

（3）柔性梯形梁支護與傳統鋼帶相比，支護面積大，支護強度高，柔韌性強。當破碎頂板出現變形時，該支護可對頂板進行柔性支護，不僅解決了傳統鋼帶撕裂、折斷現象，而且有效控制了頂板下沉、破碎現象。

截至2019 年3 月17 日第二回風巷已完全過斷層群帶。通過現場觀察發現，對破碎頂板采取聯合支護措施后，頂板未發生冒落現象，頂板最大下沉量為0.15 m，與支護前相比下沉量減小了0.19 m，保證了巷道安全快速掘進。