破碎頂板大斷面煤巷支護技術研究

郭 忍

（汾西礦業集團高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

隨著煤炭采掘技術及綜合機械化設備應用推廣，井工礦井煤炭開采速度及產量等不斷提升[1-2]。為滿足煤炭開采時瓦斯稀釋、通風、行人及物料運輸等需要，井下回采巷道斷面呈增加趨勢[3-4]。大斷面巷道給圍巖控制特別是頂板支護帶來新的挑戰，特別是圍巖破碎時頂板容易出現冒落問題，給巷道使用安全帶來較大威脅[5-6]。

1 工程概況

1001 巷設計長度1 806 m，位于一采區右翼，主要用于采區煤炭運輸及通風等，巷道鄰近采區邊界，西側為101021 巷。巷道上覆為已回采完畢的9 號煤層9-105 采空區，層間距9.8 m，影響巷道長度345 m。

1001 巷沿著10 號煤層底板掘進，煤厚2.85 m、傾角5°，煤層結構復雜，中間含有厚度在0.5 m 以內的炭質泥巖。10 號煤層直接頂、基本頂分別為厚度3.3 m 泥巖、4.98 m 灰巖；直接底為厚度4.96 m 粉砂巖。1001 巷沿著10 號煤層底板掘進，巷道凈寬4.8 m、凈高3.1 m，采用EBZ160 綜掘機破煤，錨網索支護圍巖。1001 巷在掘進至9 號煤層9-105 采空區下方時頂板破碎、冒落風險顯著增加，圍巖控制困難，巷道掘進進尺由平均8.5 m/d 降至3.9 m/d。為此，需要針對1001 巷頂板破碎及斷面大特點，采取針對性支護措施實現圍巖有效控制。

2 掘進至頂板破碎區圍巖控制難點

2.1 頂板穩定性差

1001 巷頂板巖性以泥巖及砂巖為主，巖體呈層狀結構分布、層理發育，同時直接頂硬度普遍在2.5以內，直接頂巖層不穩定性及承載能力差。1001 巷在掘進至9 號煤層9-105 采空區下方時，頂板巖層破碎程度增加同時支護采用的錨網索沒有可靠的錨固點，頂板出現一定離層情況，加之1001 巷寬度達到4.8 m，頂板極易出現冒落問題。

2.2 圍巖支護強度低

1001 巷圍巖支護時采用的錨桿長度為2.0 m，錨桿錨固端位于頂板不穩定巖層中，隨著巷道圍巖松動圈范圍增加，錨桿失效問題突出，無法起到預期的圍巖控制目的。頂板錨索錨桿端雖然位于穩定巖層內，但是由于錨索數量少、間排距大，無法對局部位置頂板冒落進行有效控制。

2.3 施工擾動

巷道頂板支護時采用風動鉆機（MT-130）施工錨桿、錨索鉆孔，鉆孔施工過程中在風壓作用下頂板巖層裂隙會進一步擴展；同時頂板布置的錨桿數量較多，錨桿及錨索鉆孔施工會進一步增加頂板破碎程度。

3 大斷面巷道破碎頂板支護技術

為提高大斷面巷道破碎頂板圍巖穩定性，提出采用主動支護、被動支柱相結合方式，即注漿錨桿、架棚相結合方式對頂板進行控制。

3.1 注漿錨桿施工

通過中空錨桿向頂板破碎巖體裂隙中注漿，可在提高頂板巖層穩定性及承載能力的同時降低頂板錨桿施工數量，從而降低錨桿施工給頂板巖層帶來的穩定性。注漿錨桿施工使用的設備包括中空錨桿（Φ25 mm×3 500 mm）、注漿軟管、封孔器、注漿泵（2ZBQ），具體注漿錨桿結構如下頁圖1 所示。

圖1 注漿錨桿布置示意圖

具體注漿錨桿施工工藝如下：

1）采用MT-120 鉆機施工孔徑為30 mm、孔深為3200mm鉆孔，鉆孔間排距分別為1000mm、1500mm。

2）錨桿鉆孔施工完畢后，向孔底內裝填一支MSC2335、一支MSK2360 錨固劑，確保錨桿錨固長度在900 mm 以上。

3）錨桿安裝完畢后在距離孔口300 mm 以上位置安裝封孔器進行封堵，并將注漿軟管埋入鉆桿內，注漿軟管與氣動注漿泵連接，向錨桿內注入聚氨酯，注漿壓力設計為0.8 MPa。注漿錨桿施工完成后無須再采用錨索對頂板進行補強。

3.2 鋼棚支護

為降低應力對頂板穩定性影響并進一步提高巖層支護強度，注漿錨桿施工完成后在巷道內使用π型鋼棚支護頂板。π 型主要由工字鋼（11 號）焊接制作而成，一架π 型鋼棚包括2 個棚腿、1 個頂梁及卡纜、連接桿、底座等。1 個棚腿由2 根1.6 m 工字鋼組成、頂梁長4 800 mm 工字鋼。

鋼棚滯后掘進迎頭5 m，棚間距設計為1 500 mm。在鋼棚架設前先清理頂板活矸、底板浮煤，確保安裝地面圍巖穩定。在鋼棚安裝完畢后，在鄰近的2 架鋼棚頂梁間布置金屬托盤，使用4 根連接桿連接棚腿。具體鋼棚布置如圖2 所示。在巷道掘進過頂板破碎帶期間，為確保架棚與破碎頂板密切接觸，在兩個鄰近鋼棚間采用水泥背板充填；當鋼棚與破碎頂板間隙較大且采用水泥背板充填效果不佳時，可向孔隙間注射膨脹劑提高接觸效果。

圖2 鋼棚布置示意圖

4 結語

1001 巷巷道寬度為4.8 m、巷高3.2 m，巷道斷面較大，巷道在掘進過頂板破碎帶期間面臨頂板冒落、圍巖控制困難及支護體系失效等問題。為此，提出采用注漿錨桿+鋼棚方式對大斷面破碎頂板巷道圍巖進行控制。在巷道頂板施工注漿錨桿后，頂板錨桿數量減少同時通過注漿可提高巖層承載能力及穩定性，在一定程度上減少了頂板錨桿施工耗時。采用鋼棚可進一步增強頂板巖層支護強度，減少頂板下沉量。

經現場應用后，巷道掘進過頂板破碎帶期間掘進速度保持在5.6 m/d，同時采用注漿錨桿、鋼棚后頂板不需要再施工錨索實現圍巖控制。現場監測期間巷道頂板最大下沉量控制在130 mm 以內，掘進過頂板破碎帶期間未出現頂板冒落、鋼棚變形等情況，取得顯著應用成果。