超前管棚支護(hù)在應(yīng)力區(qū)破碎頂板中的應(yīng)用

王飛飛

（山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033300）

1 H4201 進(jìn)風(fēng)順槽概況

山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司H4201 進(jìn)風(fēng)順槽位于井田二采區(qū)，巷道東南部為4 號煤層42211、42212、42213 采空區(qū)，西北部為4 號煤層42105、42104、42013、42102、42101 采空區(qū)，西南部相鄰4 號煤層42106 采空區(qū)，東北部相鄰+760 m 水平回風(fēng)大巷、+760 m 水平副大巷。

H4201 進(jìn)風(fēng)順槽設(shè)計長度為654 m，巷道掘進(jìn)寬度為4.5 m、高度為3.8 m，巷道開采煤層為山西組底部4 號煤層，距上部3 號煤層底板平均20 m，距下部5 號煤層頂平均6.45 m，煤層厚度為3.1～3.9 m，平均為3.65 m；該煤層偶含一層夾矸，夾矸厚度為0.20～0.80 m，煤層單一，為結(jié)構(gòu)簡單，層位、厚度穩(wěn)定的大部分可采煤層。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板為砂巖或碳質(zhì)泥巖，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 H4201 進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)的4 號煤層頂?shù)装鍘r性

H4201 進(jìn)風(fēng)順槽采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至目前巷道已掘進(jìn)240 m，巷道掘進(jìn)至230 m 處揭露一條正斷層，斷層落差為2.2 m，傾角為57°，斷層對巷道掘進(jìn)影響長度為47 m，巷道在揭露斷層后圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，主要集中頂板超前破碎嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)后空頂距達(dá)2.4 m，威脅著巷道安全掘進(jìn)。

2 巷道原支護(hù)設(shè)計及圍巖破碎機(jī)理

2.1 巷道原支護(hù)設(shè)計

H4201 進(jìn)風(fēng)順槽主要采用錨桿（索）＋鋼帶＋金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)[1-5]，頂板錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm普通螺紋鋼錨桿，頂板錨索采用Φ17.8 mm×7 500 mm，具體布置參數(shù)如下：

1）頂板錨桿布置參數(shù)：頂板每排布置5 根錨桿，錨桿布置間排距均為1.0 m，錨桿采用端頭錨固方式，錨桿錨固力為190 kN，預(yù)緊力為300 N·m，錨桿垂直頂板布置，垂直偏移誤差為±3°，錨桿安裝后外露長度控制在10～50 mm 范圍內(nèi)，錨桿外露端安裝一根長度為4.2 m、寬度為0.25 mW 型鋼帶，并采用螺母預(yù)緊。

2）頂板錨索布置參數(shù)：頂板錨索采用“一二一”布置方式，錨索長度為7.5 m、直徑為17.8 mm，錨索采用3 支錨固劑進(jìn)行錨固，錨固長度為1.55 m；錨索施工完后外露長度為150～250 mm，錨索外露端安裝一塊長度及寬度為0.3 m 鋼托板。第一排錨索布置在巷道中部，共計1 根；第二排錨索布置2 根，錨索間距為2.0 m、排距為3.0 m；第三排錨索與第一排錨索布置參數(shù)相同，依此類推。

2.2 圍巖破碎機(jī)理

當(dāng)巷道正常掘進(jìn)未遇地質(zhì)構(gòu)造時原頂板采用錨桿（索）支護(hù)，滿足巷道掘進(jìn)需求，但是當(dāng)巷道掘進(jìn)過斷層區(qū)時，斷層區(qū)圍巖受構(gòu)造應(yīng)力影響，圍巖出現(xiàn)裂隙帶，應(yīng)力在裂隙帶內(nèi)進(jìn)行卸壓釋放，造成圍巖出現(xiàn)裂隙擴(kuò)張破壞作用，圍巖破碎嚴(yán)重，特別是工作面迎頭圍巖出現(xiàn)超前破碎現(xiàn)象，當(dāng)巷道掘進(jìn)后應(yīng)力區(qū)頂板無法形成穩(wěn)定連續(xù)的承載梁，巷道掘進(jìn)后在永久支護(hù)前，頂板承載強(qiáng)度低，很容易出現(xiàn)頂板冒漏、煤壁垮落。

3 超前管棚支護(hù)設(shè)計

為了解決傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)在應(yīng)力區(qū)主要存在的技術(shù)難題，通過研究決定對H4201 進(jìn)風(fēng)順槽頂板施工超前管棚支護(hù)，支護(hù)示意圖如下頁圖1 所示。

圖1 H4201 進(jìn)風(fēng)順槽超前支護(hù)施工斷面示意圖（單位：mm）

3.1 超前管棚支護(hù)原理

超前管棚支護(hù)是指在采掘工作面迎頭施工一排超前支護(hù)孔，然后對支護(hù)孔內(nèi)錨注超前支護(hù)體，支護(hù)體垂直煤壁布置形成人工假頂，支護(hù)體在圍巖內(nèi)形成梁效應(yīng)，提高圍巖承載能力，有效防止巷道掘進(jìn)后圍巖出現(xiàn)超前破碎現(xiàn)象，保證巷道安全、快速掘進(jìn)。

3.2 超前支護(hù)體結(jié)構(gòu)

H4201 進(jìn)風(fēng)順槽施工超前支護(hù)體主要由高錳鋼通過磨具一次性澆筑而成，超前支護(hù)體長度為3.5 m，為中空狀，中部孔直徑為25 mm，支護(hù)體壁厚為2.5 mm，支護(hù)體端頭為削尖狀，主要便于插入巖體內(nèi)，削尖段長度為0.5 m；每套超前支護(hù)體外端配套夾板，每組夾板長度為0.5 m，夾板采用厚度為8 mm 鋼板焊制而成，夾板上焊制兩個直徑為25 mm 錨桿支護(hù)孔。

3.3 施工工藝

1）巷道在掘進(jìn)前首先采用手持式鉆機(jī)在H4201進(jìn)風(fēng)順槽頂板施工一排支護(hù)鉆孔，每排布置9 個支護(hù)孔，孔間距為0.5 m，鉆孔深度為3.0 m，鉆孔直徑為32 mm，所有鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔垂直面允許偏差為±3°。

2）支護(hù)鉆孔內(nèi)依次插入超前支護(hù)體，支護(hù)體插入鉆孔后必須保證支護(hù)體穩(wěn)定牢固，支護(hù)體外露長度為0.5 m。

3）同一排支護(hù)體施工完后，每3 根超前支護(hù)體外露端安裝一組夾板，夾板采用2 根長度為1.5 m、直徑為20 mm 錨桿與頂板進(jìn)行固定；超前支護(hù)施工完后巷道方可繼續(xù)掘進(jìn)，掘進(jìn)期間以超前支護(hù)體為頂板，頂板錨桿（索）及鋼帶施工在超前支護(hù)體下方。

4）第一排超前支護(hù)施工完且巷道掘進(jìn)2.5 m 后施工第二排超前支護(hù)，相鄰兩排超前支護(hù)交錯疊加布置，兩排支護(hù)體疊加距離為0.5 m。

3.4 實際應(yīng)用效果分析

截至2021 年8 月19 日H4201 進(jìn)風(fēng)順槽已掘進(jìn)至260 m，巷道從230 m 處開始對頂板施工超前管棚支護(hù)，共計施工18 排，巷道掘進(jìn)后在240～250 m 段頂板安裝了一臺YH-300 型頂板離層儀，并進(jìn)行20 d現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，超前管棚支護(hù)施工完6 d，巷道頂板出現(xiàn)塑性變形，頂板仍然出現(xiàn)離層下沉現(xiàn)象，實測頂板下沉量為0.11 m，但頂板未出現(xiàn)斷裂；在6～12 d 范圍內(nèi)頂板注漿穩(wěn)定，超前管棚支護(hù)與應(yīng)力區(qū)頂板之間產(chǎn)生耦合支護(hù)梁，頂板下沉現(xiàn)象逐漸減??；在12 d 后頂板不再變形，頂板變形量控制在0.14 m 以下。

4 結(jié)語

山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司針對H4201 進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)過斷層期間，圍巖破碎嚴(yán)重，采用傳統(tǒng)支護(hù)效果差等技術(shù)難題，提出了超前管棚支護(hù)，實踐應(yīng)用效果表明：超前管棚支護(hù)工序簡單、支護(hù)成本費用低、實用性強(qiáng)，該支護(hù)可對圍巖進(jìn)行超前支護(hù)，形成超前支護(hù)梁，有效防止應(yīng)力對圍巖造成超前破壞作用，提高掘進(jìn)區(qū)圍巖穩(wěn)定性，取得顯著應(yīng)用成效。