“撞楔+鋼棚+噴漿”聯合支護在斷層破碎帶中應用

張艷軍

（山西焦煤霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033102）

1 概況

山西焦煤霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦2062巷掘進工作面位于二盤區準備巷道北翼。工作面上部為實體煤巖層，以南為二盤區三條準備大巷，以北為實體煤，掘進至末端切巷位置靠近鼎盛陶瓷土礦采掘范圍，工作面以東為實體煤，以西為202采空區。

2062巷設計長度為1500 m，巷道為矩形斷面，巷道寬度為4.2 m，高度為3.0 m。2062巷布置在石炭系下統太原組的9#與10#煤合并層中，9#煤層厚度為3.9～4.3 m，平均厚度4.1 m，10#煤層厚度為1.6～1.7 m，平均厚度1.65 m。9#煤與10#煤層夾矸厚度為0.3～0.4 m，平均厚度0.35 m，傾角5°～9°，平均7°。煤巖層賦存較穩定，煤巖類型：半亮煤，牌號：焦煤。煤層頂、底板巖層特征見表1。

表1 煤層頂底板巖層特征表

目前巷道已掘進400 m，前300 m巷道圍巖相對穩定，頂板及兩幫未出現大面積破碎、片幫現象。當巷道掘進至350 m時巷道圍巖嚴重破碎，巷道掘進后在支護前迎頭煤壁片幫嚴重，導致局部冒落現象。

2 巷道圍巖破碎機理

（1）煤層結構復雜。2062巷掘進煤層為9#與10#合并煤層，總厚6.1 m，巷道掘進高度為3.0 m，留頂煤厚度為3.1 m。9#與10#煤層為不連續煤層，而且夾矸影響了煤層整體穩定性，導致煤層承載能力低，巷道掘進過程中易出現剝離破壞作用。

（2）頂板支護效果差。2062巷頂板主要采用錨桿（索）、金屬網聯合支護，兩幫主要采用單錨桿支護。頂板錨桿長度為2.5 m，而巷道頂煤厚度為3.1 m，煤層直接頂為泥巖，煤層與泥巖膠結穩定性差，錨桿支護后很容易出現錨桿端錨固離層失效現象，造成巷道掘進后頂煤達不到有效支護預緊作用。隨著巷道延伸，頂板出現失穩現象，從而導致頂板局部冒落。同時，巷道掘進后僅采用錨桿（索）進行圍巖控制，在長期卸壓以及風化作用下圍巖力學結構發生變化，兩幫煤柱支撐作用強度降低，致使頂板懸臂結構穩定性差，出現頂板破碎、肩角煤柱垮落等現象。

（3）集中應力影響。根據鉆孔探測發現，2062巷掘進至420 m處位于東部22 m處存在一條X6陷落柱，陷落柱對巷道影響長度為41 m。2062巷布置在陷落柱與202采空區殘余應力疊加區，導致巷道掘進至350 m處時巷道圍巖應力顯現現象嚴重，圍巖破碎嚴重。

3 “撞楔+矩形鋼棚+噴漿”聯合支護技術應用

3.1 撞楔超前支護

3.1.1 支護原理

撞楔超前支護主要是沿巷道輪廓頂板線施工與巷道軸線平行的支護鉆孔，然后在鉆孔內安裝錨桿、鋼針等超前支護體，形成管棚支護，對管棚周圍圍巖形成一個整體進行先行支護，并以掌子面和后方支撐為支點形成一個梁式結構，產生梁效應支護作用，如圖1，把巷道開挖后頂板圍巖破碎區控制在最小范圍內，防止圍巖松弛和垮落。該支護特點是巷道掘進過程中采用撞楔支護對未掘范圍的上部巖層進行控制，縮減新揭露巖石的跨度，降低冒頂概率，提高頂板穩定性[1-5]。

圖1 撞楔超前支護梁效應示意圖

3.1.2 施工工藝

（1）撞楔超前支護體。2062巷頂板采用的超前支護體為長度5.0 m、直徑45 mm 管縫錨桿，每排布置20根管縫錨桿。

（2）鉆孔布置。撞楔超前支護鉆孔采用YT-27型風鉆配套中空鉆桿以及直徑為50 mm“一”字型鉆頭施工。鉆孔布置在巷道頂板輪廓線上，每排布置20個，鉆孔直徑為50 mm，深度為4.5 m，間距為0.2 m。

（3）支護施工。支護鉆孔施工完后，將管縫錨桿依次安裝到鉆孔內，鉆孔內的支護體穩固在超前煤體內，外露煤體通過頂板鋼帶或矩形鋼棚與頂板進行固定，從而發揮撞楔超前支護梁效應支護作用。

3.2 矩形鋼棚支護

為了進一步提高頂板穩定性，保證撞楔支護效果，在滯后迎頭5.0 m處架設密集工字鋼棚。

（1）工字鋼棚為矩形斷面，鋼棚高度為3.0 m，寬度為4.2 m。鋼棚棚腿由11#鋼梁制成，頂梁主要由18#槽鋼支護，鋼棚棚腿與頂梁之間采用抱箍進行固定。

（2）鋼棚架設間距為1.0 m，鋼棚架設后在鋼棚頂梁上方鋪設一層背板，保證鋼棚與頂板具有足夠的支撐作用力。巷道掘進后鋼棚架設在超前支護下方，提高超前支護的梁效應作用。

3.3 混凝土噴漿支護

3.3.1 混凝土配比

為了進一步控制圍巖穩定性，巷道鋼棚支護和超前支護施工完成后，采用混凝土噴漿支護。噴漿混凝土配比為水泥31%、砂石64%、硅粉摻量3%、波浪型鋼纖維摻量1.5%、減水劑摻率0.5%。噴漿混凝土中摻雜硅粉和鋼纖維主要目的如下：

（1）由于硅粉粒徑較小，混凝土中摻雜硅粉后能夠充填水泥與集料顆粒之間的空隙，從而提高混凝土凝固體致密性。同時，硅粉可以約束混凝土表面毛細水，從而減少混凝土凝固后泌水量，提高混凝土各組分的粘接力，提高混凝土固體強度。

（2）由于鋼纖維屈服強度、力學性能遠高于混凝土固體，在混凝土中摻雜鋼纖維后能夠有效緩解混凝土固體變形破壞作用，對混凝土固體起到防裂、防變形作用，提高固體抗擊強度。

3.3.2 噴漿施工

（1）采用PZ-7型噴漿機進行噴漿施工。該型號噴漿機電機功率7.5 kW，最大傳輸距離100 m，噴射能力為5 m3/h，工作壓力為0.4～2 MPa，允許最大骨料粒徑為15 mm，耗風量為13 m3/h。

（2）2062巷從350 m處開始對巷道頂板及兩幫進行噴漿施工，采用初噴與復噴兩道工序，初噴滯后工作面不得超過15 m，復噴滯后工作面不得超過30 m。噴漿施工時避免點射，噴射面以30～50 mm為直徑劃圈子，每層反壓半圈層疊成魚鱗狀。初噴厚度控制在50～100 mm之間，復噴厚度控制在100～150 mm之間。

（3）巷道噴漿后每隔10 m在兩幫及頂板處各安裝一個EBJ-C型鋼弦應變計，定期對巷道及頂板收斂情況進行觀察。

4 結論

（1）破碎頂板采用撞楔超前支護后，控制了巷道頂板超前破碎，不僅保證了巷道掘進后永久支護施工安全，而且超前支護形成的梁式結構提高了頂板穩定性，避免了煤壁片幫、頂板空頂距加大等現象，保證了巷道掘進安全。

（2）對巷道架設密集工字鋼棚，實現了不穩定頂板主動與被動支護相結合的支護作用，提高了頂板支護強度，降低了因兩幫煤柱支撐強度低、垂直應力對巷幫煤柱產生剪切破壞作用。

（3）通過對不穩定圍巖采取噴漿支護，圍巖表面的噴漿層能夠有效抵抗巖石內剪切應力破壞作用；同時通過噴漿可提高破碎巖體之間的聯鎖咬合作用，控制圍巖變形現象。