“撞楔+鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)在斷層破碎帶中應(yīng)用

張艷軍

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033102）

1 概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦2062巷掘進(jìn)工作面位于二盤區(qū)準(zhǔn)備巷道北翼。工作面上部為實(shí)體煤巖層，以南為二盤區(qū)三條準(zhǔn)備大巷，以北為實(shí)體煤，掘進(jìn)至末端切巷位置靠近鼎盛陶瓷土礦采掘范圍，工作面以東為實(shí)體煤，以西為202采空區(qū)。

2062巷設(shè)計(jì)長度為1500 m，巷道為矩形斷面，巷道寬度為4.2 m，高度為3.0 m。2062巷布置在石炭系下統(tǒng)太原組的9#與10#煤合并層中，9#煤層厚度為3.9～4.3 m，平均厚度4.1 m，10#煤層厚度為1.6～1.7 m，平均厚度1.65 m。9#煤與10#煤層夾矸厚度為0.3～0.4 m，平均厚度0.35 m，傾角5°～9°，平均7°。煤巖層賦存較穩(wěn)定，煤巖類型：半亮煤，牌號：焦煤。煤層頂、底板巖層特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

目前巷道已掘進(jìn)400 m，前300 m巷道圍巖相對穩(wěn)定，頂板及兩幫未出現(xiàn)大面積破碎、片幫現(xiàn)象。當(dāng)巷道掘進(jìn)至350 m時(shí)巷道圍巖嚴(yán)重破碎，巷道掘進(jìn)后在支護(hù)前迎頭煤壁片幫嚴(yán)重，導(dǎo)致局部冒落現(xiàn)象。

2 巷道圍巖破碎機(jī)理

（1）煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2062巷掘進(jìn)煤層為9#與10#合并煤層，總厚6.1 m，巷道掘進(jìn)高度為3.0 m，留頂煤厚度為3.1 m。9#與10#煤層為不連續(xù)煤層，而且夾矸影響了煤層整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致煤層承載能力低，巷道掘進(jìn)過程中易出現(xiàn)剝離破壞作用。

（2）頂板支護(hù)效果差。2062巷頂板主要采用錨桿（索）、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，兩幫主要采用單錨桿支護(hù)。頂板錨桿長度為2.5 m，而巷道頂煤厚度為3.1 m，煤層直接頂為泥巖，煤層與泥巖膠結(jié)穩(wěn)定性差，錨桿支護(hù)后很容易出現(xiàn)錨桿端錨固離層失效現(xiàn)象，造成巷道掘進(jìn)后頂煤達(dá)不到有效支護(hù)預(yù)緊作用。隨著巷道延伸，頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致頂板局部冒落。同時(shí)，巷道掘進(jìn)后僅采用錨桿（索）進(jìn)行圍巖控制，在長期卸壓以及風(fēng)化作用下圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，兩幫煤柱支撐作用強(qiáng)度降低，致使頂板懸臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，出現(xiàn)頂板破碎、肩角煤柱垮落等現(xiàn)象。

（3）集中應(yīng)力影響。根據(jù)鉆孔探測發(fā)現(xiàn)，2062巷掘進(jìn)至420 m處位于東部22 m處存在一條X6陷落柱，陷落柱對巷道影響長度為41 m。2062巷布置在陷落柱與202采空區(qū)殘余應(yīng)力疊加區(qū)，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)至350 m處時(shí)巷道圍巖應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象嚴(yán)重，圍巖破碎嚴(yán)重。

3 “撞楔+矩形鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

3.1 撞楔超前支護(hù)

3.1.1 支護(hù)原理

撞楔超前支護(hù)主要是沿巷道輪廓頂板線施工與巷道軸線平行的支護(hù)鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)安裝錨桿、鋼針等超前支護(hù)體，形成管棚支護(hù)，對管棚周圍圍巖形成一個(gè)整體進(jìn)行先行支護(hù)，并以掌子面和后方支撐為支點(diǎn)形成一個(gè)梁式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生梁效應(yīng)支護(hù)作用，如圖1，把巷道開挖后頂板圍巖破碎區(qū)控制在最小范圍內(nèi)，防止圍巖松弛和垮落。該支護(hù)特點(diǎn)是巷道掘進(jìn)過程中采用撞楔支護(hù)對未掘范圍的上部巖層進(jìn)行控制，縮減新揭露巖石的跨度，降低冒頂概率，提高頂板穩(wěn)定性[1-5]。

圖1 撞楔超前支護(hù)梁效應(yīng)示意圖

3.1.2 施工工藝

（1）撞楔超前支護(hù)體。2062巷頂板采用的超前支護(hù)體為長度5.0 m、直徑45 mm 管縫錨桿，每排布置20根管縫錨桿。

（2）鉆孔布置。撞楔超前支護(hù)鉆孔采用YT-27型風(fēng)鉆配套中空鉆桿以及直徑為50 mm“一”字型鉆頭施工。鉆孔布置在巷道頂板輪廓線上，每排布置20個(gè)，鉆孔直徑為50 mm，深度為4.5 m，間距為0.2 m。

（3）支護(hù)施工。支護(hù)鉆孔施工完后，將管縫錨桿依次安裝到鉆孔內(nèi)，鉆孔內(nèi)的支護(hù)體穩(wěn)固在超前煤體內(nèi)，外露煤體通過頂板鋼帶或矩形鋼棚與頂板進(jìn)行固定，從而發(fā)揮撞楔超前支護(hù)梁效應(yīng)支護(hù)作用。

3.2 矩形鋼棚支護(hù)

為了進(jìn)一步提高頂板穩(wěn)定性，保證撞楔支護(hù)效果，在滯后迎頭5.0 m處架設(shè)密集工字鋼棚。

（1）工字鋼棚為矩形斷面，鋼棚高度為3.0 m，寬度為4.2 m。鋼棚棚腿由11#鋼梁制成，頂梁主要由18#槽鋼支護(hù)，鋼棚棚腿與頂梁之間采用抱箍進(jìn)行固定。

（2）鋼棚架設(shè)間距為1.0 m，鋼棚架設(shè)后在鋼棚頂梁上方鋪設(shè)一層背板，保證鋼棚與頂板具有足夠的支撐作用力。巷道掘進(jìn)后鋼棚架設(shè)在超前支護(hù)下方，提高超前支護(hù)的梁效應(yīng)作用。

3.3 混凝土噴漿支護(hù)

3.3.1 混凝土配比

為了進(jìn)一步控制圍巖穩(wěn)定性，巷道鋼棚支護(hù)和超前支護(hù)施工完成后，采用混凝土噴漿支護(hù)。噴漿混凝土配比為水泥31%、砂石64%、硅粉摻量3%、波浪型鋼纖維摻量1.5%、減水劑摻率0.5%。噴漿混凝土中摻雜硅粉和鋼纖維主要目的如下：

（1）由于硅粉粒徑較小，混凝土中摻雜硅粉后能夠充填水泥與集料顆粒之間的空隙，從而提高混凝土凝固體致密性。同時(shí)，硅粉可以約束混凝土表面毛細(xì)水，從而減少混凝土凝固后泌水量，提高混凝土各組分的粘接力，提高混凝土固體強(qiáng)度。

（2）由于鋼纖維屈服強(qiáng)度、力學(xué)性能遠(yuǎn)高于混凝土固體，在混凝土中摻雜鋼纖維后能夠有效緩解混凝土固體變形破壞作用，對混凝土固體起到防裂、防變形作用，提高固體抗擊強(qiáng)度。

3.3.2 噴漿施工

（1）采用PZ-7型噴漿機(jī)進(jìn)行噴漿施工。該型號噴漿機(jī)電機(jī)功率7.5 kW，最大傳輸距離100 m，噴射能力為5 m3/h，工作壓力為0.4～2 MPa，允許最大骨料粒徑為15 mm，耗風(fēng)量為13 m3/h。

（2）2062巷從350 m處開始對巷道頂板及兩幫進(jìn)行噴漿施工，采用初噴與復(fù)噴兩道工序，初噴滯后工作面不得超過15 m，復(fù)噴滯后工作面不得超過30 m。噴漿施工時(shí)避免點(diǎn)射，噴射面以30～50 mm為直徑劃圈子，每層反壓半圈層疊成魚鱗狀。初噴厚度控制在50～100 mm之間，復(fù)噴厚度控制在100～150 mm之間。

（3）巷道噴漿后每隔10 m在兩幫及頂板處各安裝一個(gè)EBJ-C型鋼弦應(yīng)變計(jì)，定期對巷道及頂板收斂情況進(jìn)行觀察。

4 結(jié)論

（1）破碎頂板采用撞楔超前支護(hù)后，控制了巷道頂板超前破碎，不僅保證了巷道掘進(jìn)后永久支護(hù)施工安全，而且超前支護(hù)形成的梁式結(jié)構(gòu)提高了頂板穩(wěn)定性，避免了煤壁片幫、頂板空頂距加大等現(xiàn)象，保證了巷道掘進(jìn)安全。

（2）對巷道架設(shè)密集工字鋼棚，實(shí)現(xiàn)了不穩(wěn)定頂板主動與被動支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)作用，提高了頂板支護(hù)強(qiáng)度，降低了因兩幫煤柱支撐強(qiáng)度低、垂直應(yīng)力對巷幫煤柱產(chǎn)生剪切破壞作用。

（3）通過對不穩(wěn)定圍巖采取噴漿支護(hù)，圍巖表面的噴漿層能夠有效抵抗巖石內(nèi)剪切應(yīng)力破壞作用；同時(shí)通過噴漿可提高破碎巖體之間的聯(lián)鎖咬合作用，控制圍巖變形現(xiàn)象。