超前注漿管棚支護在應力區破碎頂板中應用

史戰宇

（晉能控股煤業集團白洞礦業公司，山西 大同 037031）

1 概述

晉能控股煤業集團白洞礦業公司2114 巷位于301 盤區南部左翼的最北部，工作面東部為井田邊界，西部為盤區的皮帶、材料、回風巷，南部為實煤區，北部為301 盤區東部的皮帶、軌道及回風巷。2114 巷設計掘進長度為1316 m，巷道為矩形斷面，斷面規格為寬×高=4.2 m×3.5 m，巷道掘進煤層為石炭系5#煤層。根據工作面附近462811、472811鉆孔、工作面探煤厚孔的資料看，工作面煤層總厚為8.0～10.49 m，煤層普遍有3～8 層夾石，夾石厚一般為0.10～0.30 m，夾石斷續、不穩定。煤層頂底板巖性見表1。

表1 煤層頂底板巖性

2114 巷掘進至420 m 處揭露F2 正斷層，斷層走向15°～20°，傾向ES，傾角65°，落差為1.7 m，斷層對巷道影響長度為37 m。巷道掘進至405 m 時出現F2 斷層應力顯現現象，巷道圍巖相對破碎，當巷道掘進至407～418 m 段時頂板出現局部冒落、離層現象，兩幫收斂嚴重，收斂量達0.62 m，頂板下沉量達0.44 m。

2 應力區圍巖聯合支護技術

2.1 超前管棚支護

為防止巷道過應力區機械掘進過程受構造應力、機械擾動等影響，巷道前方煤巖體超前破碎現象，對巷道頂板施工超前管棚支護進行控制維護[1-5]。

2.1.1 超前管棚支護參數

（1）為便于巷道內超前管棚施工以及提高支護效果，管棚支護體長度一般小于10 m，管棚支護長度應根據圍巖內摩擦角以及垮落高度進行確定。根據2114 巷掘進期間最大垮落高度為3.2 m，巖體最大內摩擦角為32°，通過合理計算，確定2114巷超前管棚長度為3.5 m。

（2）超前管棚支護體采用中空無縫鋼管焊制而成，鋼管直徑為30 mm，鋼管壁厚為12 mm，每根鋼管長度為3.0 m。其中第一根鋼管端頭成錐狀便于導向插入，且孔壁均勻布置三排注漿花孔，孔直徑為50 mm，間距為0.2 m，每排布置5 個，相鄰兩根鋼管之間采用絲扣連接，絲扣長度為0.2 m。

2.1.2 超前管棚支護施工

（1）為了提高管棚支護剛性，管棚支護孔應與巷道輪廓預留合適的間距，一般鉆孔中心與輪廓間距控制在0.2～0.3 m 范圍內。超前支護鉆孔采用手持式鉆機配套直徑為32 mm 合金鉆頭進行施工。

（2）超前管棚支護鉆孔施工時，為了防止鉆頭下垂，鉆孔應向輪廓方向保持一定仰角，仰角根據管棚支護長度而定。2114 巷超前管棚支護鉆孔設計仰角為5°。

（3）2114 巷頂板共計布置14 根超前管棚支護，支護間距為0.3 m；兩幫各施工5 根管棚支護，支護間距為0.6 m。巷道每掘進4.0 m 時及時施工第二排超前管棚支護，相鄰兩排管棚支護交錯距為0.8 m，如圖1。

圖1 2114 巷斷層應力區圍巖聯合支護示意圖（mm）

2.1.3 注漿加固

（1）超前管棚支護施工完后，對頂板及兩幫進行超前注漿加固。首先對頂板超前管棚內填入注漿軟管，軟管直徑為22 mm，軟管插入管棚支護體內長度為2.0 m。注漿軟管安裝后在管棚支護孔口處采用止漿塞進行封堵。

（2）頂板每排布置三個注漿孔，即頂板肩角及中部各一個，兩幫各布置一個注漿孔。注漿時先頂板后兩幫的注漿順序，注漿液采用馬麗散有機化學材料，注漿壓力為1.5 MPa，注漿期間發現煤體有漿液滲出時立即停止注漿。

2.2 U29 型鋼棚支護

（1）為了進一步提高應力區頂板穩定性，保證超前管棚支護強度，在應力區架設U29 型鋼棚。鋼棚主要由U29 型鋼制成，與傳統矩形鋼棚相比，U29 型鋼具有承載強度高、不易變形等優點。

（2）每根棚腿由兩節長度為2.0 m 的U29 型鋼組成，兩節棚腿之間采用插接式連接，并采用雙組抱箍固定。頂梁長度為4.5 m。頂梁與棚腿之間采用卡纜進行固定。

（3）U29 型鋼棚架設順序為：棚腿→頂梁→連接桿。鋼棚架設間距為1.0 m，鋼棚架設完后保證鋼棚頂梁與超前管棚支護體接觸嚴實。

3 應用效果

至2 月13 日2114 巷已掘進至450 m，完全通過了斷層應力區。掘進期間分別在410 m、430 m處頂板布置兩個觀測點，編號為1#、2#，觀測點處各安裝一臺GUD500 型數顯離層儀，同時在兩幫安裝位移監測儀，分別進行15 d 現場觀察。應力區頂板聯合支護前后圍巖變形曲線如圖2 所示。

圖2 應力區頂板聯合支護前后圍巖變形曲線圖

（1）1#觀測點圍巖采用傳統錨桿支護技術時，受應力影響頂板蠕動變形現象嚴重。在0～8 d 范圍內頂板總下沉量為0.31 m；在8～13 d 范圍內隨著巷道延伸，頂板應力釋放逐漸降低，頂板總下沉量為0.13 m；在13 d 后頂板逐漸趨于穩定。采用傳統支護時支護失效現象嚴重，失效率達11%，且伴隨著頂板破碎、離層現象。

（2）2#觀測點圍巖采取聯合控制技術后，頂板下沉、破碎現象得到了明顯改善。通過監測發現，在0～6 d 范圍內頂板同樣出現蠕動變形現象，總變形量為0.12 m；在6～12 d 范圍管棚、鋼棚支護與圍巖實現了耦合支護作用，頂板總下沉量為0.07 m；在12 d 后頂板趨于穩定。

（3）通過對兩幫安裝的位移監測儀發現，應力區巷道未采取聯合控制技術前，由于頂板應力大、頂板承載能力低，應力沿兩幫傳遞現象嚴重，導致兩幫出現收縮破壞現象。采取聯合控制技術后，大大提高了頂板穩定性以及承載能力，削弱了應力對兩幫剝離破壞作用，兩幫收縮量減小為0.21 m。

4 結語

對2114 巷斷層應力區頂板采取超前管棚注漿支護，實現了巷道掘進超前支護的目的，降低了應力對圍巖超前破壞作用，提高了巖體抗應力能力。通過U29 型鋼棚被動支護，進一步加強了頂板穩定性，控制了頂板下沉、破碎現象，有效保障了巷道安全快速掘進。