軟巖破碎頂板巷道掘進支護優(yōu)化

章宏光

（大同煤礦集團云岡礦，山西 大同 037003）

1 概述

大同煤礦集團云岡礦311軌道巷位于311盤區(qū)西翼，西部未開采，東部為311盤區(qū)311皮帶暗斜井、311軌道暗斜井、511回風(fēng)暗斜井、51101巷皮回橫硐，南部為12#層311盤區(qū)311皮帶巷，北部為311盤區(qū)511回風(fēng)巷。巷道設(shè)計長度為460m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5×3.0m，掘進煤層為大同組12#煤層，平均厚度為3.0m，施工巷道沿12#層頂?shù)装迤叫芯蜻M。

311軌道巷含有偽頂，主要以砂巖、煤以及泥巖混合層為主，平均厚度為1.3m，巖石普氏系數(shù)f＜3.0，單軸抗壓強度為15.7MPa；直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為4.09m，巖石普氏系數(shù)f＜3.5，單軸抗壓強度為22.1MPa；基本頂主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為7.8m，巖石普氏系數(shù)f＜5.0，單軸抗壓強度為27MPa。頂板整體穩(wěn)定性差，對上覆巖層承載能力低。311軌道巷在前期開口掘進160m范圍內(nèi)頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，在87m處遇F1小斷層，此處頂板出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，冒落深度為1.2m，隨著巷道延伸地應(yīng)力加大，頂板破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，威脅著巷道施工安全。

2 原支護形式及支護效果分析

2.1 原支護形式

（1）311軌道巷道原支護設(shè)計中頂板采用錨桿、M型鋼帶以及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。頂板鋼帶采用長度為2.0m，直徑為18mm反麻花式螺紋鋼錨桿，巷道每排布置5根，錨桿間排距為1.0m。

（2）頂板采用的M型鋼帶寬度為0.15m，長度為4.2m，厚度為0.003m，每根鋼帶配套5根錨桿。

（3）頂板金屬網(wǎng)采用14#鉛絲編制的棱形網(wǎng)，網(wǎng)格為50mm，金屬網(wǎng)長度為5.2m，寬度為1.2m，相鄰兩卷金屬網(wǎng)搭接寬度為0.2m。

2.2 支護效果分析

311軌道巷在前期掘進期間采用錨網(wǎng)支護后，頂板破碎、下沉現(xiàn)象未得到有效控制，支護后雖然頂板下沉速度降低，但下沉量仍在增加，頂板支護1個月后最大下沉量達(dá)0.38m，錨桿錨固效果差，抗拉拔力不足設(shè)計值的60%（設(shè)計抗拉拔力為98kN），局部區(qū)域頂板鋼帶出現(xiàn)斷裂、錨桿失效現(xiàn)象，巷道成型率差。

3 支護設(shè)計優(yōu)化

為了有效對破碎頂板進行控制，提高支護質(zhì)量，必須首先確定破碎頂板松動圈影響范圍，然后采取措施提高松動圈內(nèi)破碎巖體膠結(jié)穩(wěn)定性，并對整體松動圈巖體進行加固。

3.1 頂板破碎松動圈影響范圍確定

通過施工窺視鉆孔，在鉆孔施工期間對鉆孔產(chǎn)生的煤屑量多少以及鉆孔施工后通過窺鏡對鉆孔壁成型情況觀測，從而判斷破碎頂板松動圈在頂板徑向方向影響范圍。

（1）為了全面評估311軌道巷破碎頂板松動圈影響范圍，巷道每隔100m施工一組窺視鉆孔，每組兩個鉆孔。

（2）采用ZDY型鉆機配套直徑為75mm雙翼鉆頭進行鉆孔施工，鉆孔施工深度為10m，鉆孔直徑為75mm，鉆孔垂直頂板布置，每組鉆孔間距為1.0m。

（3）鉆孔施工期間對每米鉆孔產(chǎn)生煤屑量進行記錄。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在0～3.2m范圍內(nèi)鉆孔產(chǎn)生的煤屑量為4.5kg/m3，隨著鉆孔延伸，鉆孔產(chǎn)生煤屑量呈遞減趨勢，在3.2m～5.0m范圍內(nèi)鉆孔產(chǎn)生的煤屑量為3.1kg/m3，且在5.0m范圍以外區(qū)域穩(wěn)定。通過窺鏡觀察發(fā)現(xiàn)，0～3.0m鉆孔內(nèi)壁相對破碎，完整性差；在3.0～5.0m范圍內(nèi)鉆孔內(nèi)部裂隙多，局部破碎；5.0～10m范圍內(nèi)鉆孔內(nèi)壁平滑。

由此可見311軌道巷頂板0～3.5m范圍內(nèi)應(yīng)加強維護，采用錨桿、錨索等主動支護對頂板0～5.5m范圍內(nèi)進行加固。

3.2 支護優(yōu)化設(shè)計

研究決定對311軌道巷頂板0～5.0m范圍內(nèi)采用淺深孔注漿支護以及施工加長錨索梁棚支護。

3.2.1 淺深孔注漿支護

（1）注漿支護材料主要采用聚氨酯粘合劑，該粘合材料具有對破碎巖體粘結(jié)效果好、凝固時間短、裂隙滲透能力強等優(yōu)點。

（2）為了提高鉆孔支護效果，淺鉆孔與頂板夾角為60°，淺孔深度為3.5m，鉆孔直徑為42mm，每排施工3個注漿孔，鉆孔間距為1.5m，排距為2.0m，鉆孔施工完后依次向鉆孔內(nèi)高壓注射聚氨酯粘合劑，注漿壓力1.0MPa。

（3）深孔深度為5.0m，鉆孔垂直頂板布置，鉆孔施工在相鄰兩排淺孔中部，每排施工兩個深孔，間距為1.5m，排距為2.0m，深孔注漿時注漿壓力不得低于2.0MPa，主要是對頂板深部裂隙進行填充。

3.2.2 加長錨索棚梁支護

（1）加長錨索棚梁支護主要由3根長度為7.0m、直徑為21.6mm高強度預(yù)應(yīng)力錨索，一根長度為4.2m工字鋼梁，以及長度為3.2m“JW”型鋼帶組成；鋼梁上焊制三個直徑為30mm圓孔，孔間距為1.8m。

（2）首先在頂板施工3根錨索，間距為1.8m，錨索外露長度為0.3m，錨固長度為1.2m，錨索錨固力不得低于100kN，抗拉拔力不得低于170kN。

（3）第一排錨索施工完后，在其下方安裝工字鋼梁，并采用鋼方墊及鎖具進行預(yù)緊，相鄰兩排錨索梁棚間距為1.0m。為了提高頂板穩(wěn)定性，在相鄰三根錨索梁棚之間穿插4根長度為2.4m“JW”型鋼帶，鋼帶間距為1.2m，鋼帶鋼梁垂直布置，鋼帶施工完后將鋼梁與頂板預(yù)緊，如圖1所示。

圖1 311軌道巷頂板注漿+加長錨索梁棚聯(lián)合支護示意圖

4 應(yīng)用效果

（1）采用淺孔注漿對頂板松動圈破碎巖體進行了加固，通過對注漿巖體進行單軸抗壓試驗發(fā)現(xiàn)，巖體單軸抗壓強度提高至52.4MPa，提高了破碎巖體膠結(jié)穩(wěn)定性及承載能力；同時采用深孔注漿有效對頂板裂隙帶進行填充，提高了頂板整體穩(wěn)定。

（2）加長錨索梁支護解決了錨索網(wǎng)支護時錨桿失效現(xiàn)象嚴(yán)重、鋼帶承載能力低等技術(shù)難題，對破碎頂板起到預(yù)期主動支護效果，通過后期觀察發(fā)現(xiàn)，加長錨索梁支護施工完后未出現(xiàn)錨索失效、鋼梁變形現(xiàn)象。

（3）311軌道巷采取聯(lián)合支護設(shè)計后，通過對施工處頂板三個月觀察發(fā)現(xiàn)，軟巖頂板下沉得到控制，在第一個月內(nèi)受頂板塑性變形影響，頂板下沉量為0.11m，在后兩個月內(nèi)頂板下沉量趨于穩(wěn)定；頂板支護優(yōu)化后在后期掘進期間未發(fā)現(xiàn)頂板破碎、局部冒頂現(xiàn)象。