超前注漿管棚支護(hù)在應(yīng)力區(qū)破碎頂板中應(yīng)用

史戰(zhàn)宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司，山西 大同 037031）

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司2114 巷位于301 盤區(qū)南部左翼的最北部，工作面東部為井田邊界，西部為盤區(qū)的皮帶、材料、回風(fēng)巷，南部為實(shí)煤區(qū)，北部為301 盤區(qū)東部的皮帶、軌道及回風(fēng)巷。2114 巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1316 m，巷道為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4.2 m×3.5 m，巷道掘進(jìn)煤層為石炭系5#煤層。根據(jù)工作面附近462811、472811鉆孔、工作面探煤厚孔的資料看，工作面煤層總厚為8.0～10.49 m，煤層普遍有3～8 層夾石，夾石厚一般為0.10～0.30 m，夾石斷續(xù)、不穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2114 巷掘進(jìn)至420 m 處揭露F2 正斷層，斷層走向15°～20°，傾向ES，傾角65°，落差為1.7 m，斷層對(duì)巷道影響長(zhǎng)度為37 m。巷道掘進(jìn)至405 m 時(shí)出現(xiàn)F2 斷層應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，巷道圍巖相對(duì)破碎，當(dāng)巷道掘進(jìn)至407～418 m 段時(shí)頂板出現(xiàn)局部冒落、離層現(xiàn)象，兩幫收斂嚴(yán)重，收斂量達(dá)0.62 m，頂板下沉量達(dá)0.44 m。

2 應(yīng)力區(qū)圍巖聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

2.1 超前管棚支護(hù)

為防止巷道過(guò)應(yīng)力區(qū)機(jī)械掘進(jìn)過(guò)程受構(gòu)造應(yīng)力、機(jī)械擾動(dòng)等影響，巷道前方煤巖體超前破碎現(xiàn)象，對(duì)巷道頂板施工超前管棚支護(hù)進(jìn)行控制維護(hù)[1-5]。

2.1.1 超前管棚支護(hù)參數(shù)

（1）為便于巷道內(nèi)超前管棚施工以及提高支護(hù)效果，管棚支護(hù)體長(zhǎng)度一般小于10 m，管棚支護(hù)長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)圍巖內(nèi)摩擦角以及垮落高度進(jìn)行確定。根據(jù)2114 巷掘進(jìn)期間最大垮落高度為3.2 m，巖體最大內(nèi)摩擦角為32°，通過(guò)合理計(jì)算，確定2114巷超前管棚長(zhǎng)度為3.5 m。

（2）超前管棚支護(hù)體采用中空無(wú)縫鋼管焊制而成，鋼管直徑為30 mm，鋼管壁厚為12 mm，每根鋼管長(zhǎng)度為3.0 m。其中第一根鋼管端頭成錐狀便于導(dǎo)向插入，且孔壁均勻布置三排注漿花孔，孔直徑為50 mm，間距為0.2 m，每排布置5 個(gè)，相鄰兩根鋼管之間采用絲扣連接，絲扣長(zhǎng)度為0.2 m。

2.1.2 超前管棚支護(hù)施工

（1）為了提高管棚支護(hù)剛性，管棚支護(hù)孔應(yīng)與巷道輪廓預(yù)留合適的間距，一般鉆孔中心與輪廓間距控制在0.2～0.3 m 范圍內(nèi)。超前支護(hù)鉆孔采用手持式鉆機(jī)配套直徑為32 mm 合金鉆頭進(jìn)行施工。

（2）超前管棚支護(hù)鉆孔施工時(shí)，為了防止鉆頭下垂，鉆孔應(yīng)向輪廓方向保持一定仰角，仰角根據(jù)管棚支護(hù)長(zhǎng)度而定。2114 巷超前管棚支護(hù)鉆孔設(shè)計(jì)仰角為5°。

（3）2114 巷頂板共計(jì)布置14 根超前管棚支護(hù)，支護(hù)間距為0.3 m；兩幫各施工5 根管棚支護(hù)，支護(hù)間距為0.6 m。巷道每掘進(jìn)4.0 m 時(shí)及時(shí)施工第二排超前管棚支護(hù)，相鄰兩排管棚支護(hù)交錯(cuò)距為0.8 m，如圖1。

圖1 2114 巷斷層應(yīng)力區(qū)圍巖聯(lián)合支護(hù)示意圖（mm）

2.1.3 注漿加固

（1）超前管棚支護(hù)施工完后，對(duì)頂板及兩幫進(jìn)行超前注漿加固。首先對(duì)頂板超前管棚內(nèi)填入注漿軟管，軟管直徑為22 mm，軟管插入管棚支護(hù)體內(nèi)長(zhǎng)度為2.0 m。注漿軟管安裝后在管棚支護(hù)孔口處采用止?jié){塞進(jìn)行封堵。

（2）頂板每排布置三個(gè)注漿孔，即頂板肩角及中部各一個(gè)，兩幫各布置一個(gè)注漿孔。注漿時(shí)先頂板后兩幫的注漿順序，注漿液采用馬麗散有機(jī)化學(xué)材料，注漿壓力為1.5 MPa，注漿期間發(fā)現(xiàn)煤體有漿液滲出時(shí)立即停止注漿。

2.2 U29 型鋼棚支護(hù)

（1）為了進(jìn)一步提高應(yīng)力區(qū)頂板穩(wěn)定性，保證超前管棚支護(hù)強(qiáng)度，在應(yīng)力區(qū)架設(shè)U29 型鋼棚。鋼棚主要由U29 型鋼制成，與傳統(tǒng)矩形鋼棚相比，U29 型鋼具有承載強(qiáng)度高、不易變形等優(yōu)點(diǎn)。

（2）每根棚腿由兩節(jié)長(zhǎng)度為2.0 m 的U29 型鋼組成，兩節(jié)棚腿之間采用插接式連接，并采用雙組抱箍固定。頂梁長(zhǎng)度為4.5 m。頂梁與棚腿之間采用卡纜進(jìn)行固定。

（3）U29 型鋼棚架設(shè)順序?yàn)椋号锿取斄骸B接桿。鋼棚架設(shè)間距為1.0 m，鋼棚架設(shè)完后保證鋼棚頂梁與超前管棚支護(hù)體接觸嚴(yán)實(shí)。

3 應(yīng)用效果

至2 月13 日2114 巷已掘進(jìn)至450 m，完全通過(guò)了斷層應(yīng)力區(qū)。掘進(jìn)期間分別在410 m、430 m處頂板布置兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1#、2#，觀測(cè)點(diǎn)處各安裝一臺(tái)GUD500 型數(shù)顯離層儀，同時(shí)在兩幫安裝位移監(jiān)測(cè)儀，分別進(jìn)行15 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察。應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)前后圍巖變形曲線如圖2 所示。

圖2 應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)前后圍巖變形曲線圖

（1）1#觀測(cè)點(diǎn)圍巖采用傳統(tǒng)錨桿支護(hù)技術(shù)時(shí)，受應(yīng)力影響頂板蠕動(dòng)變形現(xiàn)象嚴(yán)重。在0～8 d 范圍內(nèi)頂板總下沉量為0.31 m；在8～13 d 范圍內(nèi)隨著巷道延伸，頂板應(yīng)力釋放逐漸降低，頂板總下沉量為0.13 m；在13 d 后頂板逐漸趨于穩(wěn)定。采用傳統(tǒng)支護(hù)時(shí)支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重，失效率達(dá)11%，且伴隨著頂板破碎、離層現(xiàn)象。

（2）2#觀測(cè)點(diǎn)圍巖采取聯(lián)合控制技術(shù)后，頂板下沉、破碎現(xiàn)象得到了明顯改善。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在0～6 d 范圍內(nèi)頂板同樣出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，總變形量為0.12 m；在6～12 d 范圍管棚、鋼棚支護(hù)與圍巖實(shí)現(xiàn)了耦合支護(hù)作用，頂板總下沉量為0.07 m；在12 d 后頂板趨于穩(wěn)定。

（3）通過(guò)對(duì)兩幫安裝的位移監(jiān)測(cè)儀發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力區(qū)巷道未采取聯(lián)合控制技術(shù)前，由于頂板應(yīng)力大、頂板承載能力低，應(yīng)力沿兩幫傳遞現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致兩幫出現(xiàn)收縮破壞現(xiàn)象。采取聯(lián)合控制技術(shù)后，大大提高了頂板穩(wěn)定性以及承載能力，削弱了應(yīng)力對(duì)兩幫剝離破壞作用，兩幫收縮量減小為0.21 m。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)2114 巷斷層應(yīng)力區(qū)頂板采取超前管棚注漿支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)超前支護(hù)的目的，降低了應(yīng)力對(duì)圍巖超前破壞作用，提高了巖體抗應(yīng)力能力。通過(guò)U29 型鋼棚被動(dòng)支護(hù)，進(jìn)一步加強(qiáng)了頂板穩(wěn)定性，控制了頂板下沉、破碎現(xiàn)象，有效保障了巷道安全快速掘進(jìn)。