超前管棚支護在斷層區巷道掘進中應用

牛偉旗

（長春興煤業有限公司，山西 大同 037101）

1 概述

長春興煤業有限公司105 運輸順位于井田北盤區東翼，工作面東西走向布置，西部為北盤區大巷，東部、北部為北盤區井田邊界，南部為103工作面采空區。

105 運輸順槽設計長度為1700m，主要擔負著105工作面煤炭運輸任務，巷道開口前20mm范圍內主要用于穩裝帶式輸送機，斷面規格為寬×高=5.5m×4.5m，200~1700m 段斷面規格為寬×高=4.5m×3.5m，巷道沿22#煤層底板進行掘進，掘進煤層厚度為9.5m，巷道掘進期間預留頂煤厚度為6.0m；105運輸順槽采用機械化掘進工藝，截止2020年3月17日巷道已掘進450m。

105運輸順槽圍巖主要采用錨桿、錨索、金屬網、W型鋼帶進行聯合支護，頂板每排布置一根長度為4.5m，寬度為0.25m“W”型鋼帶以及5 根長度為2.5m，直徑為22mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿與鋼帶配套使用，錨桿布置間排距為1.0m；頂板每排布置3 根長度為5.3m，直徑為17.8mm 錨索，錨索間距為2.0m，排距為3.0m；巷幫每排布置3 根長度為2.0m，直徑為20mm 螺紋鋼錨桿，間排距為1.0m；頂板及幫采用8#鉛絲編制的棱形金屬網，頂板網長度為5.0m，寬度為1.3m，幫網長度為4.0m，寬度為2.0m。

2 巷道掘進現狀及支護技術難題

2.1 巷道掘進現狀

105運輸順槽在前440m掘進過程中圍巖穩定性相對較好，采用傳統錨桿索支護時能夠有效控制圍巖變形現象，掘進過程中未出現頂板破碎、冒漏以及片幫現象；當巷道掘進至442m處時巷道左幫揭露一條F3正斷層，斷層落差為1.5m，傾角為52°，斷層從左幫向右幫逐漸延伸，當巷道掘進至446m處時在巷道右幫完全揭露斷層。

105 運輸順槽揭露F3斷層時巷道左幫先出現片幫現象，隨著巷道掘進延伸，當斷層延伸至巷道迎頭時頂板出現破碎現象，巷道掘進機割煤后在施工永久支護前，頂板出現大面積破碎垮落，當巷道掘進至445m處時頂板最大空頂距達2.2m，采用機載超前以及絲杠式超前支護時支護效果差，永久支護無法及時對圍巖控制，巷道掘進速度降低至2.2m/d，嚴重威脅著巷道施工安全。

2.2 原支護主要存在的問題

巷道在掘進過程中受斷層應力影響工作面前方5~10m 范圍內初選超前破壞現象，通過對工作面前方頂板施工窺視孔觀察發現，圍巖破碎嚴重，出現嚴重斷裂現象，當巷道掘進后在支護永久支護前，應力沿圍巖裂隙向巷道掘進空間釋放卸壓，在卸壓過程中迎頭煤體手剪應力作用出現破碎、垮落現象，從而增加了空頂距，加劇頂板破碎力度。

原頂板采取錨桿索支護時只能對巷道開挖空間頂板進行支護，無法對巷道頂板超前支護，當巷道迎頭煤巖體出現斷裂、破碎后導致支撐強度降低，巷道頂板出現折斷現象，且頂板出現圍巖松動圈，而錨桿（索）支護主要利用錨固劑將桿體端頭粘接在頂板上，并安裝承載件施加預應力，達到支護作用，當頂板出現松動圈后錨桿（索）錨固強度降低，降低了錨桿（索）支護效果。

3 超前管棚支護應用

為了彌補傳統錨桿（索）支護不足，實現對斷層區圍巖超前支護作用，決定對巷道頂板采取超前管棚支護，如圖1所示。

圖1 105運輸順槽超前管棚支護示意圖（單位：mm）

3.1 超前管棚支護原理

通過對巷道迎頭頂板施工一排垂直煤壁的超前支護鉆孔，對鉆孔內安裝一排超前支護體，當巷道迎頭煤巖體在應力作用出現斷裂、破碎時，超前管棚支護體形成梁效益結構，對圍巖實現超前支護作用，降低圍巖超前破碎現象。

3.2 超前管棚支護結構

105 運輸順槽斷層區采取的超前管棚支護主要由支護體、夾板等部分組成，支護體采用高錳鋼磨具澆筑形成的無縫中空鋼管，長度為3.0m，直徑為32mm，超前管棚支護體前段為實芯削尖結構，長度為0.5m；在支護體四周均勻布置三排直徑為12mm卸壓小孔。

3.3 超前管棚支護工序

（1）105運輸順槽掘進至450m處時采用EBZ260型掘進機將迎頭煤矸清理干凈，并將頂板及兩幫支護到位，空頂距不得大于0.3m。

（2）采用手持式鉆機在巷道迎頭設計位置施工一排超前支護鉆孔，每排布置10個，孔間距為0.5m，鉆孔深度為3.0m，直徑為35mm，鉆孔允許水平和垂直方向最大偏角為3°。

（3）支護鉆孔施工完后，采用風管對鉆孔內煤屑進行清理，若出現塌孔現象必須重新補打鉆孔，然后對鉆孔內插入超前支護體。

（4）超前管棚支護施工完后巷道在掘進時第一刀掘進深度為0.5m，掘進后及時在超前支護體下方施工一排W錨桿鋼帶。

（5）105 運輸順槽掘進過程中若頂板破碎嚴重時，管棚支護安裝后對支護體內埋入一根直徑為20mm 注漿軟管，然后進行注漿施工，注漿過程中使超前支護體與圍巖鑲嵌為一體，提高超前支護強度。

3.4 實際應用效果分析

截止2020 年3 月27 日105 運輸順槽已掘進至507m處，巷道已完全過斷層影響區，F3斷層對巷道掘進影響長度為62m，巷道在后期過斷層期間對頂板每隔20m 安裝一臺YH-300 型頂板離層儀進行頂板變形監測，通過現場觀察發現：

通過對巷道頂板施工超前管棚支護后，控制在迎頭煤巖體超前破壞現象，減少了裂隙帶發育，阻止了裂隙帶向巷道開挖空間內頂板延伸，提高了永久支護質量，通過現場監測發現，采取管棚支護后頂板下沉量控制在0.14m以下，錨桿（索）支護失效率由原來的11%降低為3%，巷道掘進速度提高至5.2m/d。

4 結束語

長春興煤礦針對105 運輸順槽在過斷層期間圍巖破碎嚴重、巷道掘進效率低以及支護難度大等現象，采取超前管棚支護技術后，有效控制了圍巖破碎、頂板下沉、冒漏現象，超前管棚支護實現了超前應力梁支護作用，削弱了頂板垂直應力對圍巖產生超前剪切破壞作用，取得了顯著應用成效。