巷道應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

李江飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)公司，山西 大同 037001）

巷道掘進(jìn)過程中受斷層、陷落柱等構(gòu)造應(yīng)力影響，破壞了巷道圍巖整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致巷道頂板圍巖裂隙發(fā)育，若巷道支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不足,易造成頂板圍巖裂隙擴(kuò)張破壞，在圍巖內(nèi)形成巖體松動(dòng)圈；隨著應(yīng)力持續(xù)破壞作用，圍巖松動(dòng)圈范圍不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致頂板破碎、冒落等事故發(fā)生[1]。對(duì)于巷道破碎頂板主要采用密集錨桿（索）或工字鋼棚進(jìn)行聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)。但巷道頂板圍巖破碎后支護(hù)錨固效果差，導(dǎo)致頂板支護(hù)體失效現(xiàn)象嚴(yán)重，起不到預(yù)期支護(hù)效果。本文以5310 巷為例，對(duì)巷道掘進(jìn)期間頂板破碎區(qū)支護(hù)主要存在問題進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，提出了合理有效聯(lián)合支護(hù)措施。

1 概述

塔山煤礦三盤區(qū)5310 巷位于三盤區(qū)西翼，巷道東部為5311 巷，南部為井田邊界，西部為8310工作面，北部為盤區(qū)大巷，見圖1。5310 巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為900 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進(jìn)煤層為山西組4#煤層，煤層平均厚度為3.52 m，巷道從盤區(qū)皮帶巷開口沿3#煤層底板掘進(jìn)，截止目前巷道已掘進(jìn)531 m。

圖1 5310 巷平面布置

根據(jù)鉆探資料顯示，5310 巷掘進(jìn)至525 m 處位于巷道西部42 m 處存在一條陷落柱X1，陷落柱水平投影成近似橢圓狀，陷落柱長(zhǎng)軸長(zhǎng)為32 m，短軸長(zhǎng)為19 m，陷落柱長(zhǎng)軸與5310 巷成23°夾角，陷落柱與5310 巷最短垂直距離為26 m。受陷落柱應(yīng)力及巷道掘進(jìn)應(yīng)力影響，巷道掘進(jìn)至525 m 處位于陷落柱側(cè)頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，隨著巷道不斷開拓延伸，巷道掘進(jìn)至531 m 處時(shí)頂板破碎嚴(yán)重，頂板出現(xiàn)嚴(yán)重下沉現(xiàn)象，最大下沉量達(dá)0.44 m，且受頂板破碎影響，頂板錨桿（索）支護(hù)錨固效果差，支護(hù)失效率達(dá)11%，無法對(duì)頂板進(jìn)行有效支護(hù)作用。

2 應(yīng)力區(qū)原頂板支護(hù)問題分析

2.1 原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)

5310 巷原頂板主要采用“錨桿+W型鋼帶+單錨索”聯(lián)合支護(hù)：

（1）頂板錨桿與W型鋼帶配套使用，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，直徑為22 mm，W型鋼帶長(zhǎng)度為4.2 m，寬度為0.25 m，巷道每掘進(jìn)1.0 m 頂板布置一排鋼帶及錨桿，每排5 根，錨桿間排距為1.0 m。

（2）頂板錨索采用長(zhǎng)度為5.3 m，直徑為17.8 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置三根單錨索，錨索間距為1.8 m，排距3.0 m，每根錨索外露端安裝一塊規(guī)格為長(zhǎng)×寬=0.3 m×0.3 m 拱形鋼托板。

2.2 原支護(hù)問題分析

（1）受陷落柱應(yīng)力傳遞破壞作用，5310 巷頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，而傳統(tǒng)錨桿、鋼帶、錨索支護(hù)對(duì)巷道橫向巖體起到單向支護(hù)作用，一旦頂板出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)后對(duì)于同一排錨桿（索）之間無任何聯(lián)鎖支撐作用，相鄰兩排鋼帶之間巖體出現(xiàn)破碎、冒落現(xiàn)象[2]。

（2）傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)主要在巖體內(nèi)施工支護(hù)鉆孔，然后對(duì)鉆孔終孔位置填裝錨固劑，通過鉆機(jī)帶動(dòng)支護(hù)體高速攪拌錨固劑并快速凝固，最后在支護(hù)體外露段安裝承載機(jī)構(gòu)并施加預(yù)應(yīng)力，從而達(dá)到錨桿（索）懸吊支護(hù)的作用；但是當(dāng)頂板出現(xiàn)破碎后，在頂板巖體內(nèi)形成圍巖松動(dòng)圈，隨著應(yīng)力不斷破壞作用，松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大至支護(hù)體錨固端時(shí)，很容易造成支護(hù)錨固失效現(xiàn)象，降低了錨桿支護(hù)效果[3]。

3 巷道應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

為了阻止應(yīng)力區(qū)頂板破碎區(qū)范圍擴(kuò)大，加強(qiáng)支護(hù)體錨固效果以及提高錨桿（索）聯(lián)動(dòng)支護(hù)作用，決定對(duì)應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采用“注漿+圓鋼托架”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3.1 注漿加固技術(shù)

（1）5310 巷掘進(jìn)至531 m 處開始對(duì)頂板施工仰斜注漿鉆孔，每排施工3 個(gè)（1#～3#），鉆孔深度為5.0 m，仰角為60°，間距為2.0 m，鉆孔直徑為45 mm，其中兩幫鉆孔（1#、3#）與巷幫成45°夾角。

（2）注漿鉆孔施工完后清理鉆孔內(nèi)煤巖屑，然后在鉆孔孔口處安裝一個(gè)長(zhǎng)度為0.5 m 環(huán)形封孔器，以及一根直徑為20 mm 注漿軟管，最后對(duì)封孔器打壓膨脹完全封堵孔口。

（3）將注漿軟管外露端與雙液注漿泵連接，并進(jìn)行注漿施工，為了降低注漿成本費(fèi)用，提高注漿效果，注漿材料采用水泥漿與水玻璃混合液，注漿壓力控制在1.0～1.6 MPa范圍內(nèi)。

（4）在注漿施工時(shí)單孔注漿量為35 kg,單孔注漿時(shí)間為15 min，注漿完成后拔出注漿軟管并及時(shí)采用止?jié){塞進(jìn)行封孔器中部孔封堵。注漿2 h且確定注漿液完全凝固后施工巷道方可繼續(xù)掘進(jìn)[4]。

3.2 圓鋼托架聯(lián)動(dòng)支護(hù)技術(shù)

（1）圓鋼托架聯(lián)動(dòng)支護(hù)原理

在巷道頂板或煤壁相鄰兩排錨桿（索）之間采用特制圓鋼托架進(jìn)行聯(lián)鎖控制，在應(yīng)力作用下當(dāng)圍巖出現(xiàn)破碎下沉?xí)r，圓鋼托架可對(duì)兩排支護(hù)體之間巖體進(jìn)行控制維護(hù)，同時(shí)當(dāng)前一排錨桿（索）失效時(shí)后一排錨桿（索）可通過托架對(duì)失效錨桿（索）實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)保護(hù)作用，從而降低圍巖支護(hù)失效現(xiàn)象，解決了破碎圍巖線性或點(diǎn)性錨桿（索）支護(hù)時(shí)支護(hù)聯(lián)鎖保護(hù)性能差、失效現(xiàn)象嚴(yán)重等技術(shù)難題。

（2）圓鋼托架聯(lián)動(dòng)支護(hù)施工

①5310 巷破碎頂板圍巖注漿加固后，對(duì)頂板施工錨桿（索）、鋼帶、金屬網(wǎng)等永久支護(hù)，頂板鋼帶更換為“JW”型鋼帶，鋼帶長(zhǎng)度為4.2 m，寬度為0.38 m，鋼帶排距為0.8 m，每根鋼帶配套5 根加長(zhǎng)螺紋鋼錨桿（1#～5#），錨桿長(zhǎng)度為3.5 m，直徑為22 mm。

②相鄰兩排鋼帶施工完后在第一根鋼帶的1#、4#錨桿與第二根鋼帶的2#、5#錨桿之間對(duì)應(yīng)安裝一根長(zhǎng)度為1.0 m 圓鋼托架；該圓鋼托架主要由直徑為22 mm 中空?qǐng)A鋼焊制而成，圓桿兩端為扁平狀并焊制一個(gè)直徑為25 mm 支護(hù)孔。

③同樣將將第二排鋼帶的2#、5#錨桿與第三排鋼帶的1#、4#鋼帶之間安裝兩根圓鋼托架，見圖1；圓鋼托架成“W”型邁步式布置，直至巷道完全過應(yīng)力區(qū)破碎區(qū)[5]。

④優(yōu)化后頂板錨索更換為長(zhǎng)度為7.0 m，直徑為21.8 mm 多股高強(qiáng)度鋼絞線，每排布置三根，錨索間距為1.8 m，排距縮小為1.6 m，錨索外露端安裝一根長(zhǎng)度為0.8 m，寬度為0.38 m“JW”型鋼梁。

圖2 5310 巷應(yīng)力區(qū)破碎頂板圓鋼托架聯(lián)動(dòng)支護(hù)平面

4 結(jié)論

1）截止2020年1月21日5310 巷已掘進(jìn)570 m，已完全通過X1陷落柱應(yīng)力影響區(qū)。對(duì)應(yīng)力區(qū)頂板采取聯(lián)合支護(hù)措施后，在應(yīng)力區(qū)頂板處安裝了一臺(tái)YH-300 型數(shù)字顯示離層儀，通過15 d頂板巖體觀察發(fā)現(xiàn)，在0～6 d范圍內(nèi)受頂塑性變形影響頂板出現(xiàn)局部下沉現(xiàn)象，下沉量為0.14 m，在6～12 d范圍內(nèi)頂板下沉量逐漸減小，12 d后頂板趨于穩(wěn)定。

2）通過對(duì)頂板采取聯(lián)合支護(hù)措施后，大大提高了頂板巖體穩(wěn)定性，控制了應(yīng)力區(qū)頂板破碎現(xiàn)象，提高了頂板錨桿（索）支護(hù)效果，通過對(duì)應(yīng)力區(qū)錨桿（索）進(jìn)行拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，錨桿（索）支護(hù)合格率達(dá)98%以上，與原支護(hù)相比，錨桿失效率降低至2%以下。