中底層巷道銹結再生頂板錨網支護技術實踐

劉世峰 焦作煤業集團趙固（新鄉）能源有限責任公司

目前國內厚煤層開采的采煤方法主要有：分層、大采高一次采全厚、放頂煤等，受煤體節理裂隙發育程度、煤層頂板巖性、煤體硬度等條件影響，大采高一次采全厚和放頂煤開采存在較大的局限性，分層開采仍然是一種適應性較強、應用較為廣泛的一種采煤方法[1-3]。隨著開采深度的不斷增加，巷道開挖后圍巖的支護應力逐漸增大，底分層巷道如何增加支護強度，提升支護效果成為底分層能否實現高效回采的關鍵[4,5]。

在厚煤層采用分層時，在頂分層回采過程中，頂板自然垮落并進行鋪網、灑水，一般經過3 個月以上壓實銹結后形成再生頂板，然后沿人工假頂進行巷道開挖。由于傳統的底分層巷道一般采用工鋼梯形棚進行支護，支護強度較低，在構造帶、交叉點等應力增高區或受采動影響時，巷道變形量較大，尤其在工作面回采過程中，超前壓力影響范圍內巷道上方已斷裂的老頂巖塊出現二次旋轉，巷道壓力急劇增大，極易出現較大變形[6-10]。

為此，趙固一礦以11052 工作面順槽支護為工程背景，通過鉆孔窺視、圍巖結構分析、錨索錨固工藝研究等，提出了底分層巷道“架棚一次支護+錨索二次補強”的聯合支護技術，并在11052 上下順槽進行了成功應用，取得了良好的支護效果，可為類似條件下底分層巷道圍巖控制提供借鑒。

一、工程概況

（一）工作面概況

趙固一礦位于焦作煤田東部、太行山南麓，井田含煤面積43.77km2，總資源儲量3.73 億t，該礦井核定年生產能力300 萬t，礦井采用立井單水平盤區式開拓，主采二疊系山西組二1 煤層，傾角2～6°，煤厚5～7m，平均厚度5.29m。11052 工作面位于礦井東一盤區，該盤區均采用分層開采（分上下兩層），其中11052 對應的頂層工作面11051 于2010 年4 月回采結束。11052 工作面設計采寬168m，走向長度1172m，煤層傾角-3°～8°。

（二）工作面頂底板巖性

工作面開采范圍煤層頂板存在一層均厚約0.4 m 的泥巖，直接頂為均厚1.77m 的泥巖和砂質泥巖，老頂為均厚12.37 m 的大占砂巖；直接底為均厚12.4m 的砂質泥巖，老底為均厚1.9 m 的L9 灰巖，工作面頂底板巖性如圖1 所示。11051 頂層工作面開采后，偽頂、直接頂、老頂先后垮落，經過壓實銹結，形成11052 工作面開采頂板。

二、中底層巷道變形破壞原因分析

受中底層巷道布置空間位置、圍巖結構、應力分布等因素影響，分析中底層巷道易出現變形破壞的原因主要有以下幾個方面：

1.中底層回采巷道一般采取內錯或外錯形式布置，巷道空間位置處于頂層工作面區段煤柱的附近。受頂層工作面回采影響，工作面區段煤柱中的垂直應力和平行于中心線方向的水平應力呈現集中趨勢，煤柱中心的應力明顯高于原巖應力，且煤柱兩側邊緣附近出現明顯的塑性區域，從而造成布置在該區域的中底層巷道變形破壞。

2.中底層巷道的頂板為上分層工作面回采后垮落的破碎巖石重新壓實、穩定、膠結而成的再生頂板，整體性差，不易形成結構，具有明顯的非連續介質破碎體或塊裂體的性質[10]。

3.傳統的工鋼棚式支護，支護強度低，工鋼棚一旦出現變形，總體穩定性和強度出現急劇下降，造成巷道出現整體失穩。

三、垮落銹結頂板錨網支護理論分析

傳統的錨桿（索）支護理論有“懸吊理論”“組合梁理論”“組合拱理論”“減跨理論”“擴容-穩定理論”等，其中組合拱理論認為在巷道圍巖的破裂區中，安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置的錨桿間距足夠小，各個錨桿的壓應力錐體相互交錯，這樣使巷道周圍的巖層形成一種連續的組合帶（拱），它使巷道圍巖由原來支架上的“荷載”變成了“承載”結構，從而實現巷道支護的目的。

基于“組合拱理論”支護原理，如果中底層巷道銹結假頂上方存在可錨固的相對完整巖層，則可通過施工頂板錨索對巷道松散軟軟頂板進行加固，從而實現支護巷道的目的。

四、11052工作面頂板結構窺視

為掌握底分層工作面頂板結構，對11052 工作面頂板進行了鉆孔窺視，窺視結果如圖2 所示，為確定合理的錨固層位及錨索長度提供依據。

圖1 工作面頂底板巖性情況

圖2 鉆孔窺視圖

由圖2 可以看出，11052 工作面頂板2m 以下頂板極其破碎，孔壁存在大量空洞，2～6m 段孔壁相對完整，但裂隙較為發育，6m 以上范圍孔壁比較完整，只存在少量縱向裂隙，初步判斷頂板上方6～8m 范圍可作為錨索錨固段。

五、11052工作面順槽支護形式

11052 工作面順槽沿人工假頂掘進，梯形斷面，采用“工鋼棚+錨網索”聯合支護。（見圖3）

工鋼棚支護：工鋼棚采用12#工鋼加工，頂梁長3.8m，棚腿長3.6m，棚距600mm，棚腿扎腳900mm，巷道凈高3.2m，棚后全斷面裱褙荊棍和菱形金屬網。

幫部錨網索支護：幫部錨索規格φ17.8×4200mm，間排距1200×1200mm。錨索托盤規格為200×200×16mm，錨索預緊力不小于200kN。

頂板錨索梁補強支護：頂板錨索規格φ21.6×8300mm，間排距1200×1200mm，錨索預緊力不小于200kN，槽鋼梁采用14#槽鋼加工，槽鋼梁平行巷道中線方向布置。

圖3 11052順槽支護斷面圖

六、頂板錨索施工工藝流程

淺部大鉆孔配合套管護壁→深部小鉆孔施工→錨索錨固→安裝槽鋼梁→一次張拉預緊→二次張拉預緊。具體施工步驟如下：

圖4 中底層頂板索結構示意圖

1.淺部大鉆孔施工

由于頂板以上2m 范圍內巖層極其破碎，直接施工錨索鉆孔經常出現塌孔現象，成孔非常困難。為解決此問題，主要采取套管護壁的方式解決，具體操作為：頂板以上2m 范圍內采用φ50mm 鉆頭進行鉆孔施工，然后安裝內徑40mm 的PVC 管進行護壁。

2.深部小鉆孔施工

由于頂板以上2～8m 范圍巖層相對完整，直接采用φ28mm 鉆頭施工至設計孔深（8m）。

3.錨索錨固

鉆孔施工完成后，使用Z2350 錨固劑進行錨索錨固，每根錨索設計3 支錨固劑，錨固長度1.5m 以上。如果鉆孔破碎，適當增加錨固劑數量。

4.安裝槽鋼梁

一組錨索錨固完成后，安裝槽鋼梁，槽鋼梁采用14#槽鋼加工，梁長3m，一梁三索，錨索孔間距1.2m。

5.一次張拉預緊

槽鋼梁安裝完成后，使用錨索張拉機具對錨索進行預緊，設計預緊力不小于200KN。如果巷道頂板錨索錨固段空隙較多，錨固效果難以保證時，采取頂板注化學漿加固或施工注漿錨索的方式進行解決。

6.二次張拉預緊

順槽頂板錨索施工完成后，在工作面回采過程中，由于受采動影響，頂板繼續壓實，頂板錨索梁會出現松動。要求在工作面超前50m 范圍內對頂板錨索進行二次預緊。

圖5 自制鉆頭及PVC套管

七、實施效果

自2019 年以來，趙固一礦已累計實施頂板錨索支護巷道5150m，均取得了良好的支護效果。順槽頂板錨索的成功實施，巷道支護強度大大提升，巷道支護面貌得到徹底改善，實現了中底層工作面順槽零返修，并以錨索梁補強支護代替傳統工作面原有的“單體柱+π 型梁”超前支護，實現了無單體柱超前支護。兩巷支護效果的提升為工作面高效回采奠定了基礎，自去年以來趙固一礦中底層工作面單日最大回采進度10.8m，月度最大推進度達到200m 以上。同時中底層頂板錨索在趙固一礦的成功實踐也為類似條件下其他礦井中底層工作面順槽巷道支護提供了可借鑒的經驗。