“注漿+柔性梯形梁”支護在巷道破碎頂板中應用

晉焱梁

（山西晉煤集團長平煤業(yè)有限責任公司，山西 晉城 048000）

由于巷道過斷層期間頂板巖體強度低、孔隙度大、膠結程度差，頂板巖體嚴重破碎，局部巖層出現(xiàn)離層等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)局部漏頂現(xiàn)象。采用普通錨桿支護時，錨桿錨固端未能完全深入堅硬穩(wěn)定巖層內(nèi)，無法起到懸吊作用。頂板的凸凹不平，錨網(wǎng)支護不能完全與頂板接觸，無法形成耦合的支護體，錨桿支護失效嚴重。所以，對于斷層破碎帶頂板，必須根據(jù)實際情況采取合理有效的支護措施，才能保證巷道安全快速掘進。本文以長平煤礦五盤區(qū)第二回風巷掘進為例，對巷道過斷層破碎帶提出了“注漿+柔性梯形梁”聯(lián)合支護措施。

1 概況

山西晉煤集團長平煤業(yè)有限責任公司五盤區(qū)第二回風巷沿煤層頂板掘進，東部為蘆家峪村和西溝村村莊保護煤柱，西部為礦界保護煤柱，北部為五盤區(qū)實體煤，南部為五盤區(qū)輔運巷（正在施工）。

五盤區(qū)第二回風巷設計長度為2573 m，施工巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.2×5.7 m，掘進煤層為3#煤層，平均厚度為5.48 m。3#煤層無偽頂，直接頂主要以砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖混合巖層為主，平均厚度為2.7 m；基本頂主要以粗砂巖為主，平均厚度為11.5 m。

第二回風巷采用綜合機械化掘進施工工藝。地質(zhì)資料顯示，在450～570 m 處共計揭露6 條逆斷層，平均落差為0.8 m，平均傾角為42°。受斷層群影響，巷道掘進至440 m 處頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，當巷道掘進至446 m 處時巷道中部出現(xiàn)局部冒落現(xiàn)象，冒落高度為0.7 m，原頂板支護設計無法滿足巷道過斷層群支護需求。

2 原頂板支護設計主要存在的問題

2.1 支護強度低

第二回風巷沿3#煤層頂板掘進，巷道直接頂厚度為2.7 m，直接頂巖體單軸抗壓強度為25 MPa，抗壓強度相對較低。巷道在過斷層群時受集中應力影響，直接頂與基本頂之間出現(xiàn)離層現(xiàn)象，且在離層處出現(xiàn)應力破碎現(xiàn)象。而原支護設計中頂板采用的是BHRB500 型錨桿，錨桿長度為2.5 m，錨桿采用端頭錨固方式，錨固長度為0.8 m，錨桿錨固端位于直接頂與基本頂之間。當直接頂出現(xiàn)離層下沉時，錨桿錨固端附近巖體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，錨桿支護失效現(xiàn)象嚴重，降低了錨桿支護強度。

2.2 支護耦合作用差

巷道頂板采取錨桿、錨索支護的目的主要是通過錨桿懸吊作用對不穩(wěn)定巖體進行懸吊維護，然后再通過錨桿組合梁作用使不穩(wěn)定巖體形成連續(xù)穩(wěn)定承載機構，從而使錨桿與圍巖間形成耦合作用。但是由于破碎頂板力學性質(zhì)發(fā)生改變，頂板自身整體連續(xù)穩(wěn)定性降低，錨桿支護后懸吊支護作用降低，錨桿與圍巖無法形成耦合支護作用。

2.3 讓壓效果差

原頂板支護設計中頂板采用的是BHRB500 型錨桿，錨桿抗拉強度為180 MPa，錨桿延伸率不足2%，錨桿剛性強，在頂板集中垂直應力作用下，錨桿讓壓效果差，導致錨桿在應力剪切作用下，出現(xiàn)變形、折斷現(xiàn)象。

2.4 擾動破壞嚴重

原支護設計中，頂板每排布置6 根錨桿，排距為1.0 m，每排布置3 根錨索，錨索排距為3.0 m。雖然支護數(shù)量滿足支護要求，但是對破碎頂板，支護數(shù)量越多，在進行鉆孔施工時鉆孔擾動對圍巖破壞越嚴重，進一步加劇了巖體破碎程度。

3 應力破碎頂板聯(lián)合支護設計

3.1 注漿支護

（1）目前煤礦注漿材料主要分為非化學注漿材料及化學注漿材料。非化學注漿材料具有成本費用低、材料廣泛等優(yōu)點，但是在圍巖高裂隙帶中滲透能力差，粘接時間長；化學材料如脲醛樹脂、聚氨酯、丙烯酰胺等具有滲透能力強、粘接效果好等優(yōu)點，但是成本費用高。五盤區(qū)第二回風巷過斷層群帶時，頂板破碎相對較嚴重，為了提高圍巖穩(wěn)定性，加快巷道掘進速度，決定采用聚氨酯化學注漿材料。

（2）巷道掘進時頂板破碎區(qū)采用超前預注方法。第二回風巷掘進至446 m 處時，在工作面煤壁處施工超前注漿鉆孔。鉆孔距頂板高度為1.0 m，鉆孔仰角為60°，鉆孔深度為5 m，鉆孔終孔位置必須位于基本頂內(nèi)，每排施工3 個鉆孔，鉆孔間距為1.8 m。

（3）注漿施工時按“由中部向兩幫、由高壓向低壓”的注漿原則，注漿壓力為1.5 MPa。在進行注漿前應對注漿鉆孔進行封孔處理，封孔段位于鉆孔孔口往里1.2 m 范圍內(nèi)，保證注漿液完全滲透在頂板巖體內(nèi)。注漿完成2 h 后巷道方可繼續(xù)掘進。

3.2 永久支護設計優(yōu)化

（1）將原頂板BHRB500 型左旋無縱筋螺紋錨桿進行加長，優(yōu)化后錨桿長度為3.5 m，在錨桿外露端安裝一根長度為0.3 m 高強度讓壓彈簧。

（2）為了降低鉆孔施工擾動對破碎頂板影響，頂板錨桿每排由原來6 根減為5 根，錨桿間距1.3 m，錨桿排距由1.0 m增加至1.2 m，取消原頂板錨索支護。

3.3 柔性梯形梁支護

為了提高頂板支護效果，保證頂板變形時支護體與頂板能夠?qū)崿F(xiàn)耦合支護作用，決定對斷層群處頂板施工柔性梯形梁支護。

（1）每架柔性梯形梁支護主要由圓鋼、夾板、JW 型鋼帶、高預應力錨索、圓鋼托架等部分組成。柔性梯形梁長度為4.8 m，寬度為0.5 m。如圖1 所示。

（2）圓鋼長度為4.8 m，直徑為16 mm，共計由6 根組成，且采用4 根夾板進行固定，夾板固定間距為1.5 m。梯形梁采用3 根長度為7.0 m、直徑為21.6 mm 高預應力錨索及3 根長度為0.5 m“JW”型鋼帶進行固定，錨索布置間距為1.5 m。

（3）柔性梯形梁支護施工在相鄰兩排錨桿之間，排距為1.2 m。在相鄰兩架梯形梁支護之間采用2 根長度為1.4 m、直徑為20 mm 圓鋼托架連接，間距為3.0 m。

圖1 第二回風巷破碎頂板柔性梯形梁支護平面布置示意圖

4 結語

（1）注漿支護使斷層群破碎、裂隙頂板巖體間充分粘接及填充，破碎頂板重新形成承載梁，巖體單軸抗壓強度提高至57 MPa，提高了圍巖整體穩(wěn)定性，削弱了頂板垂直集中應力破壞作用。

（2）對原頂板支護進行優(yōu)化后，不僅加強了錨桿支護效果，降低了錨桿錨固失效率，而且錨桿安裝了讓壓件，在頂板變形、下沉時錨桿能夠適應頂板塑性變形，避免傳統(tǒng)錨桿鋼性大、延展性低，導致頂板變形時錨桿出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，提高了錨桿耦合支護作用。

（3）柔性梯形梁支護與傳統(tǒng)鋼帶相比，支護面積大，支護強度高，柔韌性強。當破碎頂板出現(xiàn)變形時，該支護可對頂板進行柔性支護，不僅解決了傳統(tǒng)鋼帶撕裂、折斷現(xiàn)象，而且有效控制了頂板下沉、破碎現(xiàn)象。

截至2019 年3 月17 日第二回風巷已完全過斷層群帶。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，對破碎頂板采取聯(lián)合支護措施后，頂板未發(fā)生冒落現(xiàn)象，頂板最大下沉量為0.15 m，與支護前相比下沉量減小了0.19 m，保證了巷道安全快速掘進。