破碎頂板綜合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

王玉林

(河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600)

巷道圍巖穩(wěn)定是保障礦山安全高效開采的關(guān)鍵[1-2]。采礦工程中，巷道護(hù)技術(shù)為其安全生產(chǎn)做出了卓越的貢獻(xiàn)，同時也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，超前支護(hù)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到掘進(jìn)工作面的實際生產(chǎn)過程當(dāng)中。超前巷道支護(hù)施工基礎(chǔ)上進(jìn)行破碎頂板二次支護(hù)，提高了回采過程的安全性與頂板穩(wěn)定性[3-4]。

根據(jù)地質(zhì)條件和巷道服務(wù)的目的不同，導(dǎo)致各個礦井的巷道采取得的支護(hù)方式差異較大。隨著采區(qū)優(yōu)化，工作面巷道服務(wù)周期邊長。當(dāng)巷道圍巖為松散破碎的巖體時，錨桿錨索等傳統(tǒng)的主動支護(hù)形式的可錨性降低，支護(hù)效果達(dá)不到設(shè)計要求。頂板較破碎時，嚴(yán)重制約工作面掘進(jìn)、回采等任務(wù)，掘進(jìn)時進(jìn)行超前錨桿支護(hù)、回采時再進(jìn)行二次支護(hù)，一定程度上可改善該問題。在頂板破碎或為弱層理結(jié)構(gòu)的條件下，圍巖開采前采用超前錨桿支護(hù)技術(shù)提前對暴露的頂板進(jìn)行支護(hù)，使圍巖在開挖后的原巖應(yīng)力不被或者減少破壞，避免圍巖產(chǎn)生較大的形變，從而保證巷道頂板在未離層前得到有效支護(hù)。該礦頂板為厚頂板，根據(jù)現(xiàn)場實際情況最終提出“掘進(jìn)超前支護(hù)+回采二次支護(hù)”的技術(shù)方案，達(dá)到巷道不同使用目的穩(wěn)定性，為復(fù)雜破碎巷道頂板支護(hù)方案提供了實踐的依據(jù)，同時提高了巷道支護(hù)效果，對礦內(nèi)推廣具有重大意義。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

十盤區(qū)位于黃陵煤礦井田中部，其四周分別為為北鄰十一盤區(qū)，南與五盤區(qū)相接，東鄰三盤區(qū)，西接六盤區(qū)，其中1009輔運巷設(shè)計在十盤區(qū)內(nèi)。1009輔運巷設(shè)計長度3 001.9 m，主采2號煤層，煤厚1.9～2.2 m，平均厚度2.1 m，直接頂為粉砂巖和泥巖，成分以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，含植物化石碎片和星點云母片，中夾薄層中砂巖及砂質(zhì)泥巖。泥巖為灰黑色，局部含少量粉砂巖，層理不明顯。底板為泥巖，灰黑色，易風(fēng)化，易破碎，含少量植物化石碎屑。煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r性Tab.1 Lithology of coal seam and roof and floor m

1.2 巷道支護(hù)形式參數(shù)

1009輔運巷道設(shè)計為矩形，巷道尺寸為2 800 mm×5 200 mm(長×寬)，采用錨桿錨索金屬網(wǎng)聯(lián)合全斷面支護(hù)。頂錨桿選用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索選用φ17.8 mm×10 300 mm防腐錨索，錨索梁采用T140型鋼帶加工，梁長3.6 m，排距1.0 m。其中，頂錨桿間距為850 mm，靠兩幫間距1.0 m，排距為1.0 m。錨索梁采用“橫向梁+走向梁”的十字方式進(jìn)行支護(hù)，其中橫、縱梁均采用一梁四索；設(shè)計錨索梁距主幫側(cè)600 mm，錨索梁采用T140型鋼帶加工，梁長3.4 m，間距1.0 m，配合讓壓鎖具使用，錨深10.0 m。

兩幫采用均采用錨桿塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，主幫、副幫分別為φ20 mm×2 500 mm普通玻璃鋼錨桿和φ20 mm×2 500 mm高強(qiáng)度玻璃鋼錨桿，每排4根，間排距均為700 mm×1 000 mm。

1.3 巷道頂板及生產(chǎn)現(xiàn)狀

(1)三維地震勘探報告表明，巷道鄰近3DF15斷層，掘進(jìn)過程可能揭露伴生斷層致頂板較為破碎。

(2)根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，在巷道掘進(jìn)過程中未發(fā)現(xiàn)斷層及構(gòu)造造成的安全影響，頂板上方約500 mm左右的巖石較破碎，直接頂整體穩(wěn)定性較差，當(dāng)掘進(jìn)至500～800 m時，頂板破碎情況尤為明顯，掘進(jìn)期間，頂板隨掘隨落，厚度100～400 mm，此時循環(huán)進(jìn)尺降為0.8 m(此時頂錨桿排距變更為0.8 m)，嚴(yán)重的制約了生產(chǎn)。

2 巷道支護(hù)設(shè)計方案

2.1 超前支護(hù)理念

超前支護(hù)是指對尚未開挖的巖體進(jìn)行預(yù)支護(hù)，預(yù)防其在開挖時的垮落。這些巖土體主要是指一些開挖后來不及支護(hù)就會發(fā)生破壞性事故，如流沙、嚴(yán)重的破碎帶、松散的軟巖、高應(yīng)力圍巖等[5-6]。

超前支護(hù)一般分為2類，分別為超前錨桿(或錨索)加固和帶注漿的超前錨桿加固。圍巖的破壞從本質(zhì)上來說是漸進(jìn)的，就是受擾動應(yīng)力的加載，導(dǎo)致其內(nèi)部就開始有破裂出現(xiàn)，圍巖變形增加，進(jìn)而降低了巖體質(zhì)量。因此，過大的變形對圍巖后期的承載是不利的。有時盡管巖土體沒有冒落或坍塌，但圍巖的破損可能發(fā)生在巖土體的內(nèi)部，圍巖的承載能力可能已經(jīng)有嚴(yán)重?fù)p失，以至在載荷進(jìn)一步發(fā)展后(端部開挖)，圍巖很快就失效。因此，超前支護(hù)就是提前提供約束，減少圍巖質(zhì)量在變形過程的降低[7-8]。

2.2 二次支護(hù)理念

受工作面回采、采空區(qū)、煤柱等因素影響，在原始支護(hù)方案在回采過程中易發(fā)生片幫、底鼓等礦壓顯現(xiàn)情況，難以滿足生產(chǎn)的需要。根據(jù)工作面布置情況對巷道的頂板、主副幫分別進(jìn)行針對性支護(hù)。主副幫均對巷道底角進(jìn)行支護(hù)，其中副幫(煤柱幫)采用強(qiáng)支護(hù)。

2.3 超前支護(hù)方案

根據(jù)1009輔運巷直接頂構(gòu)造情況，為保證煤層頂板在巷道被開挖后的完整性，采用圍巖補(bǔ)強(qiáng)和組合梁理論對迎頭前未被暴露的頂板超前支護(hù)，通過施工超前錨桿，將錨桿錨固長度以內(nèi)的圍巖組成組合梁，從而加強(qiáng)圍巖本身的抗彎能力和提高其承載能力，使之在巷道開挖后，巷道永久支護(hù)前保證頂板的完整性[9]。綜合錨桿施工工藝及有關(guān)文獻(xiàn)以及在結(jié)合實際施工探索的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場施工中超前錨桿安設(shè)角度采用30°，誤差范圍28°～32°。其支護(hù)參數(shù)選取：φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(或強(qiáng)度相當(dāng)?shù)钠渌^桿)；錨桿間距為850 mm，排距為2 000 mm，每排3～4根。錨固方式為每根錨桿消耗2節(jié)MSK2335型樹脂。同時為提高錨桿與頂板的結(jié)合力，要求錨桿預(yù)緊力不低于150 kN。支護(hù)設(shè)計如圖1所示。

圖1 頂板超前錨桿支護(hù)設(shè)計Fig.1 Roof advance bolt supporting design

2.4 二次支護(hù)方案

根據(jù)上述分析，在原有的基礎(chǔ)上在破碎區(qū)域的整個巷道斷面進(jìn)行分式區(qū)二次支護(hù)，如圖2所示。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案Fig.2 Reinforced supporting scheme

補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前，將頂、幫的網(wǎng)包先進(jìn)行處理，遇聯(lián)巷、煤鉆場口均向里支護(hù)2 m?，F(xiàn)場巷道變形不一致。為確保支護(hù)效果，二次支護(hù)的方式可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。煤柱幫采用錨索代替錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。頂部在原支護(hù)鋼帶的基礎(chǔ)上采用“一梁兩索”交替邁步式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。錨索采用φ17.8 mm×10 300 mm-19芯非防腐錨索配合索具，錨深10 m。設(shè)計孔距2.4 m，張拉力200 kN。新支護(hù)的錨索之間用錨網(wǎng)片整片連接。

煤柱側(cè)支護(hù)方案：采用錨索+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索采用φ17.8 mm×5 300 mm-19芯防腐錨索配合索具，間排距700 mm×1 000 mm，采用鋼托盤，每根錨索采用4節(jié)錨固劑進(jìn)行錨固，張拉力200 kN。煤墻側(cè)支護(hù)方案：采用規(guī)格為φ20 mm×2 500 mm高強(qiáng)樹脂錨桿，布置形式為在原有巷道錨桿間布置，每排3根，間排距為700 mm×1 000 mm。兩幫的底角錨桿采用用金屬錨桿支護(hù)，設(shè)計參數(shù)相同。錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 500 mm，每根錨桿采用2節(jié)錨固劑進(jìn)行錨固。錨桿設(shè)計傾角30°，預(yù)緊力100 kN，下壓木托盤。

2.5 施工注意事項

(1)超前支護(hù)。當(dāng)頂板破碎時，在開機(jī)前及每循環(huán)割煤前，利用ZYC2X800/21/30型交錯式掘進(jìn)超前支架的臨時支護(hù)，在有效的掩護(hù)下施工超前錨桿。在工作面正頭頂板的臨時支護(hù)處，傾斜向工作面打錨桿眼(與頂板夾角為30°)，保證錨桿與頂板的結(jié)合效果。為保證錨固的質(zhì)量，控制錨桿眼深度和孔內(nèi)干凈，充分始樹脂藥卷充分發(fā)揮作用，錨桿錨固力滿足100 kN。施工順序：交接班→打超前錨桿眼→安裝超前錨桿→綜掘機(jī)截割→刷幫清浮煤→敲幫問頂→連網(wǎng)及臨時支護(hù)→永久支護(hù)→打超前錨桿眼→安裝超前錨桿→下一循環(huán)→文明生產(chǎn)→現(xiàn)場交接班。

(2)二次支護(hù)。采用風(fēng)動式錨桿鉆機(jī)進(jìn)行打眼，副幫(煤柱側(cè))采用的錨索型號符合要求。底角錨桿與底板夾角30°，為保證與底板結(jié)合效果，角度不可過小。打眼后必須進(jìn)行吹孔，保證后期支護(hù)效果的錨固力滿足要求。

3 施工效果驗證

3.1 宏觀效果

在2號煤巷道掘進(jìn)過程中，頂板上方約500 mm的巖石較破碎，雖然無大的漏頂，但100～300 mm范圍的漏頂經(jīng)常出現(xiàn)。若不能滿足同排錨桿錨固在同層位的效果，降低了支護(hù)強(qiáng)度，難以保證支護(hù)質(zhì)量。所以，必須采取合理的措施，保證頂板的完整性，達(dá)到安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)效果。同時當(dāng)進(jìn)行施工超前錨桿后，根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，一方面，在巷道掘進(jìn)后能較好的控制頂板的完整性不掉落(此超前支護(hù)只起支撐作用，無擠壓加固作用)，且減小了永久支護(hù)過后，頂板的下沉量；另一方面，施工超前錨桿后，實際生產(chǎn)過程中循環(huán)進(jìn)尺可由0.8 m增加為2～3 m(視具體情況)，極大的提高了掘進(jìn)效率。

3.2 礦壓分析

另外為檢測施工超前錨桿和二次支護(hù)對巷道頂板后期變形的控制效果，通過離層觀測儀對永久支護(hù)后的巷道頂板下沉量進(jìn)行觀測。分別在頂板超前支護(hù)區(qū)域和非超前支護(hù)區(qū)域各安設(shè)2套雙深度(A基點為深部基點，深8 m；B基點為淺部基點，深3 m)GYW300離層傳感器進(jìn)行下沉量觀測，進(jìn)行了48 h的觀測，其頂板下沉量與時間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可看出，非超前支護(hù)區(qū)，在巷道巷道開挖后直接頂內(nèi)部已出現(xiàn)離層，錨桿支護(hù)的有效性減弱，此時直接頂?shù)某休d能力已經(jīng)降低，當(dāng)頂板受壓穩(wěn)定后，巷道頂板淺部圍巖下沉量最大達(dá)到20 mm，深部圍巖下沉量為7～8 mm。一定程度上會造成錨桿失效，不能有效阻止頂板下沉，錨固范圍內(nèi)(2.5 m)和錨固區(qū)以外(8.0 m)的離層都相對比較明顯，此時錨固范圍內(nèi)的巖體作為荷載多于作為承載體的作用。

圖3 頂板下沉量與時間關(guān)系Fig.3 Relationship between roof subsidence and time

巷道穩(wěn)定后，頂板淺部圍巖下沉量最大為12 mm，錨固范圍之外的位移量是同一時期非支護(hù)區(qū)離層位移量的1/2～2/3，得到了有效控制。說明：超前錨桿與永久錨桿支護(hù)相結(jié)合，能有效控制破碎頂板下錨固范圍內(nèi)的巖層變形，形成較理想的承載體，有效地阻止了錨固范圍以外圍巖的離層。

4 結(jié)論

(1)為了保證掘進(jìn)期間頂板完整性提高掘進(jìn)效率，破碎頂板巷道掘進(jìn)期間可采取施工超前錨桿，割煤前提前向頂板前方支護(hù)超前錨桿。

(2)超前支護(hù)的錨桿可將破碎松散的巖體有效組合起來，從而加強(qiáng)圍巖本身的抗彎能力和提高其承載能力。二次支護(hù)對巷道頂、幫進(jìn)行區(qū)域化支護(hù)，保證的巷道從成型到服務(wù)期間的穩(wěn)定性。