軟巖煤層頂板下沉區治理措施研究應用

皇甫旭光

（大同煤礦集團雁崖煤業公司，山西 大同 037003）

1 概 述

大同煤礦集團雁崖煤業公司5312巷位于井田三盤區西翼，巷道設計長度為1400m，巷道斷面規格為寬×高=5.0×3.5m，巷道掘進煤層為山4#石炭系煤層，煤層平均厚度為3.5m。5312巷無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖、砂質泥巖混合層為主，其中炭質泥巖平均厚度為1.4m，砂質泥巖平均厚度為4.2m，該巖石層裂隙發育，巖石普氏系數f＜3.5，硬度低易破碎；基本頂主要以粗砂巖為主，巖石普氏系數f＞7.0，硬度高，巷道由機掘二隊采用綜合機械化工藝進行掘進，截至目前巷道已掘進580m。

5312巷頂板支護設計采用錨桿、錨索、W型鋼帶聯合支護，頂板錨桿長度為2.5m，每排施工5根，每三排錨桿施工一排錨索，錨索間距為1.6m。由于巷道掘進至502m處揭露一條F4正斷層，落差1.7m，傾角52°，受采動應力及構造應力影響，5312巷掘進至490m處F4斷層帶附近頂板出現下沉現象，當巷道掘進510m處頂板下沉區下沉量達0.32m，下沉區長度達22m。

2 前期頂板下沉區治理措施及效果分析

2.1 前期頂板下沉區治理措施

當巷道掘進至520m處時，為了阻止斷層帶附近頂板進一步下沉，決定對下沉處采取補打密集支護并施工假頂進行維護。

（1）補打密集錨索支護：在距F4斷層10m處開始補打密集單錨索，錨索長度為5.0m，直徑為17.8mm，每排施工三根，錨索間距為1.6m，錨索排距為1.0m，每根錨索配套一塊長度為0.45m，寬度為0.28m鋼帶并采用鎖具將其與頂板預緊。

（2）人工假頂：待密集錨索支護施工完后，在頂板下沉區每隔3.0m施工一架錨索吊棚，錨索吊棚主要由兩根長度為8.0m、直徑為21.6mm高預應力錨索，與長度為4.0m的11#工字鋼配套組成，吊棚與頂板間距為0.5m；吊棚施工完后在相鄰兩架吊棚之間鋪設厚度為5mm，長度為3.2m，寬度為0.3m木板，木板鋪設后采用錨索張力器具將吊棚升起，確保木板與頂板接觸嚴實。

2.2 效果分析

（1）由于巷道頂板受構造應力及采動壓力影響，頂板破碎嚴重，通過頂板窺視孔發現，頂板往上0～3.0m范圍內為嚴重破碎區，3.0～5.6m范圍內為離層區，在破碎區域施工密集錨索鉆孔難度大，成孔率低，而且錨索錨固端位于離層區域內，錨索施工完后失效現象嚴重，失效率達44%。

（2）F4斷層影響破碎巖體單軸抗壓強度大大降低，通過實驗發現巖體單軸抗壓強度僅為9.4MPa，采用人工假頂的方法進行破碎頂板維護時，由于頂板破碎巖體承載能力降低，頂板壓力集中施加在假頂上，而且隨著破碎區域不斷向深部巖層延伸，離層區逐漸轉化為破碎區，造成假頂變形嚴重，頂板下沉量逐漸加大，當巷道施工到540m處時頂板最大下沉量達0.47m。

3 頂板下沉區聯合治理方法應用

為了進一步提高頂板下沉區穩定性，研究決定對頂板下沉區域采取“注漿+架設U29型鋼棚”等聯合方法進行治理。

3.1 注漿支護

（1）由于原巷道為矩形斷面，為了提高巷道頂板承載能力，決定將下沉區域巷道頂板斷面更改為拱形斷面，首先對下沉區域（490～512m范圍內）頂板進行挑頂維護，挑頂高度為0.5m，挑頂后保證巷道高度為4.0m，在挑頂期間每挑頂長度達0.5m后及時對巷道頂板采取錨桿、錨索、“W”型鋼帶以及金屬網聯合支護。

（2）當巷道挑頂長度達3m時，及時對挑頂區域進行注漿支護，每排施工四個垂直頂板注漿孔，且成扇形布置，注漿孔深度為5.0m，孔徑為42mm，鉆孔間距為1.2m，鉆孔排距為3.0m。

（3）鉆孔施工完后采用高壓注漿泵向鉆孔注射馬麗散粘劑，馬麗散粘劑采用馬麗散與催化劑混合比為1:1的混合液，在注射漿液期間發現破碎巖體出現漿液滲透現象時及時停止注漿，并及時采用水泥砂漿進行封孔，封孔長度不得低于0.5m。

3.2 架設U29型鋼棚

（1）待頂板下沉區挑頂且永久支護及注漿支護全部施工完后，在下沉區處架設密集U29型鋼棚，該鋼棚主要由兩節棚腿，三節弧形頂梁、拉桿、卡纜等部分組成。其中每節棚腿長度為1.5m，弧形頂梁長度為2.2m，棚腿底座主要由規格為長×寬=0.3×0.3m鋼板制成，并焊有兩個直徑為25mm的圓孔。

（2）首先將底座安裝在堅硬底板處，并采用兩根地錨桿將底座錨固在地板上，若底板相對松軟應進行起底澆筑，同一鋼棚兩個底座安裝后必須保持在同一水平上。

（3）底座安裝后將棚腿與底座對接并采用兩根長度120mm，直徑為15mm連接螺栓進行固定。棚腿與底座固定后為了保證棚腿穩固，每根棚腿與巷幫之間采用兩根錨桿及卡纜固定，如圖1所示。

（4）棚腿固定后依次按住弧形頂梁，在安裝頂梁時應搭設工作盤確保施工安全，頂梁與頂梁之間，以及頂梁與棚腿之間采用卡纜進行預緊，預緊力不得低于200N·m，頂梁安裝后確保頂梁與頂板之間預留高度為0.15m間隙。

（5）U29型鋼棚架設間距為1.5m，待所有鋼棚架設完成后，在頂梁與頂板之間填塞長度為1.5m、寬度為0.3m水泥背板，并采用噴射水泥砂漿的方法將頂板空隙處進行封堵。為了保證鋼棚間聯鎖保護作用，在相鄰兩架鋼棚之間采用兩組拉桿進行固定。

圖1 三盤區5312巷頂板下沉區聯合治理斷面示意圖

3.3 應用效果分析

（1）優化后，原巷道斷面更改為拱形斷面，有效提高了巷道頂板巖體自身承載能力，而且在拱形巷道施工的錨桿、錨索具有桁架支架作用，提高了支護效果，降低了外界作用力對頂板的影響。

（2）對巷道頂板施工馬麗散注漿支護，提高了頂板破碎巖體膠結穩定性及耦合作用，注漿作用降低了頂板離層現象，阻止了頂板巖體破碎范圍進一步擴大，增加了巖體單軸抗壓強度，通過實驗發現，注漿后巖體單軸抗壓強度提高至64.2MPa。

（3）架設密集U29型鋼棚對破碎頂板進行一步加固，降低了應力對頂板的破壞作用，同時通過噴射水泥砂漿的方法將鋼棚與頂板形成一個整體，有效降低了頂板下沉現象，通過后期三個月觀察發現，5312巷頂板下沉區采取聯合治理措施后的第一個月頂板下沉量為0.12m，在第二個、第三個月內頂板下沉趨于穩定，在F4斷層處應力最大，頂板下沉量為0.17m。

4 結束語

大同煤礦集團雁崖煤業公司通過技術研究，對5312巷頂板下沉區采取“注漿+施工U29型鋼棚”的聯合方法進行治理，實踐證明，采取聯合治理措施后，有效提高了破碎頂板穩定性，阻止了因頂板下沉發生冒頂、垮落等事故，保證施工巷道安全掘進，取得了顯著安全效益。