在巷道破碎頂板條件下注漿柔性梯形梁支護的應用

孫 凱

(晉能控股煤業集團亨元煤礦，山西 晉中 045400)

在巷道掘進中，多斷層帶頂板因受到強度低、孔隙率大、膠結程度不理想等因素的影響而出現不同程度的破碎問題，使得巖層出現離層、漏頂的情況，威脅頂板安全。而采用傳統的錨桿支護方式，則由于巖層堅硬度，錨桿無法有效貫穿巖層，懸吊效果不佳，又由于頂板巖層凹凸不平，容易使錨桿支護結構與巖體脫離。為此，在實際施工作業中，有必要根據現場實際情況科學規劃支護處理措施和方案，維護巷道掘進作業的安全性，提高掘進效率。注漿柔性梯形梁支護可有效解決上述問題，保障結構穩定性[1]。

1 工程概況

以某煤礦企業近段時間開展的巷道掘進工程為例，選取五盤區第二回風巷的沿煤層頂板作為主要研究對象。該區域東西兩個方位均有保護煤柱，北部為實體煤。南部為輔運巷，正處于建設過程中。該巷道的場地在2 573 m左右，巷道內的斷面規格為：寬5.2 m，長5.7 m，整個巷道掘進的煤層定義為3#煤層，厚度約在5.48 m左右。

通過實地勘察可知，巷道內的巖層多以粗砂巖為主，厚度約在11.5 m左右。第二回風巷在掘進施工中采用了機械掘進處理方式，根據對地質勘察資料的了解和分析可知，本巷道中，在450 m～570 m距離內一共發現了6條逆斷層，平均落差在0.8 m以內，傾斜角度為42°。受到這些斷層的影響，在巷道掘進的440 m位置上，頂板結構出現了破損問題，在掘進446 m處時，巷道出現了明顯的冒落現象，冒落高度約在0.7 m左右。參照目前巷道掘進具體情況，如果仍然采用傳統的支護方式，則難以保障巷道掘進的安全性。

2 原頂板支護設計主要存在的問題

2.1 支護強度不達標

第二回風巷道是沿著3#煤層頂板開展掘進作業的，在掘進施工中，巷道直接頂的厚度被控制在2.7 m左右，直接頂位置上巖體的單軸抗壓能力在2.5 MPa左右，低于標準參數要求，這使得巷道掘進中，多斷層群容易受到應力作用的影響，將直接頂和基本頂隔離，出現離層問題，頂板破碎，影響掘進的安全性和穩定性。而原支護設計中頂板采用的是BHRB500型錨桿，錨桿長度為2.5 m，錨桿采用端頭錨固方式，錨固長度為0.8 m，錨桿錨固端位于直接頂與基本頂之間。但利用該方法處理后，在直接頂出現離層下沉問題后，錨桿錨固一側的巖體會出現破碎情況，直接破壞錨固支護結構，出現坍塌或脫落問題。

2.2 支護耦合效果不佳

在解決巷道頂板破碎問題時，使用的錨桿、錨索支護方式，是為利用錨桿加強懸吊效果，從而對不穩定巖體加以維護和穩定，之后再利用錨桿組合梁的作用，實現對不穩定巖體的進一步加固處理，讓錨桿與圍堰結構間形成耦合作用，以此增強頂板的承載能力。但是由于破碎頂板力學性質發生改變，頂板自身整體連續穩定性下降，錨桿支護后懸吊支護作用降低，錨桿與圍巖無法形成耦合支護作用。

2.3 讓壓效果不理想

在原頂板支護設計中，選用的錨桿型號為BHRB500，其性能指標為：抗壓強度180 MPa，延伸率在2%以下，剛性較強，但在垂直應力作用下，錨桿自身的讓壓效果并不理想，這樣組合形成的支護結構，會在應力剪切作用下，存在不規則變形或折斷問題，增加巷道掘進施工的危險系數。

2.4 抗擾動能力不高

原頂板支護設計中，每排設置的錨桿數量為6，錨索數量是其一半，錨桿排距控制在1 m以內，錨索排距是錨桿的三倍以上。這樣設計雖然完全符合規定標準要求，但對于存在破損問題的頂板結構來說，錨桿和錨索數量的增多，會在鉆孔作業中，出現較多的擾動因素，從而對巖體結構帶來嚴重破壞，不僅無法發揮支護效果，還會增加破損的概率。

3 應力破碎頂板聯合支護設計

3.1 注漿支護設計

一是注漿材料的科學選擇。在巷道注漿支護處理中，可使用的注漿材料分為非化學注漿材料和化學注漿材料。前者的適用范圍及材料來源較廣，成本低廉，可保障施工效益，但滲透能力較差，黏結處理時間長，不適用于圍堰高裂隙帶的支護施工。后者以脲醛樹脂、聚氨酯、丙烯酰胺等高滲透能力的材料為主，相比非化學注漿材料來說，黏結時間大大縮短，可加快施工速度，但相對的成本費用較高。五盤區第二回風巷過斷層群帶時，頂板破碎相對嚴重，為提高圍巖穩定性，加快巷道掘進速度，決定采用聚氨酯化學注漿材料[2]。

二是超前預注法。根據本項目實際情況分析，在實施破碎頂板支護處理時，直接采用超前預注法，如圖1所示。在第二回風巷掘進的446 m位置上，實施超前注漿鉆孔作業。鉆孔距頂板高度為1.0 m，鉆孔仰角為60°，鉆孔深度為5 m，鉆孔終孔位置必須位于基本頂內，每排施工3個鉆孔，鉆孔間距為1.8 m。

圖1 超前預注法

三是注漿原則。本項目在注漿作業開展中應堅持由中向外擴散、由高壓到低壓的注漿原則，如圖2所示。將注漿壓力控制在1.5 MPa左右。注漿前先對孔洞實施清理和封孔處理[3]。封孔端位于鉆孔口往里1.2 m范圍內，保證注漿液完全滲透在頂板巖體內。注漿完成2 h后巷道方可繼續掘進。

圖2 巷道注漿

3.2 永久支護設計

首先將原頂板支護結構中使用的左旋無縱筋螺紋錨桿繼續實施加長處理，錨桿長度增加到3.5 m，在外露一端安裝長度約0.3 m左右的彈簧。其次，將每排錨桿數量從原有的6根縮減到5根，錨桿間距控制在1.3 m左右，排距增加到1.2 m，直接取消原有的錨索支護結構。

3.3 柔性梯形梁支護設計

柔性梯形梁支護結構的設計主要是為了解決斷層群區域內頂板存在的變形問題，加強頂板結構與支護體結構之間的耦合效果[4]。在實際作業中，首先科學規劃柔性梯形梁結構體系，合理規劃和控制圓鋼、夾板、JW型鋼帶、高預應力錨索、圓鋼托架等結構構件。本項目中柔性梯形梁的長度和寬度分別為4.8 m和0.5 m。

其次，結構中圓鋼數量為6，長度在4.8 m左右，直徑為16 mm。圓鋼在固定中直接利用夾板實現，夾板數量為4，間距控制在1.5 m。梯形梁采用3根長度為7.0 m、直徑為21.6 mm高預應力錨索及3根長度為0.5 m“JW”型鋼帶實施固定，錨索布置間距為1.5 m。

最后，相鄰錨桿的排距在1.2 m，梯形梁之間利用1.4 m長的的兩根圓鋼加以支撐，圓鋼間距3 m，直徑為20 mm。

4 效果及經驗總結

注漿支護方式可使破碎及裂隙頂板區域巖體得到很好的填充，提升頂板與支護結構的黏結效果，加大承載能力和抗壓強度，維護結構的穩定性和安全性，合理控制因垂直應力變化帶來的各類風險[5]。永久支護設計一方面對原有的錨桿支護結構性能進行提升，改善錨桿結構性能，控制失效率，另一方面也可抑制變形、下沉等問題的出現，規避傳統錨桿鋼性大、延展性低的情況，防止頂板變形時錨桿出現剪切破壞現象，增強錨桿耦合支護作用。柔性梯形梁支護可加大支護面積和強度，在頂板變形出現后，充分發揮柔性支護效果，控制撕裂、折斷問題的發生，有效緩解破碎現象。通過上述方式的應用，可有效解決該區域頂板破碎及冒落問題，保障巷道掘進的效率和與安全性。

5 結語

綜上所述，在日后作業中，合理應用該技術提高巷道穩定性、安全性，防止巷道掘進時危險事故的發生，進而為我國礦產企業的可持續發展及人員生命財產安全提供保障。