破碎頂板綜合支護技術應用研究

王玉林

(河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600)

巷道圍巖穩定是保障礦山安全高效開采的關鍵[1-2]。采礦工程中，巷道護技術為其安全生產做出了卓越的貢獻，同時也帶來了巨大的經濟效益。目前，超前支護技術已經廣泛應用到掘進工作面的實際生產過程當中。超前巷道支護施工基礎上進行破碎頂板二次支護，提高了回采過程的安全性與頂板穩定性[3-4]。

根據地質條件和巷道服務的目的不同，導致各個礦井的巷道采取得的支護方式差異較大。隨著采區優化，工作面巷道服務周期邊長。當巷道圍巖為松散破碎的巖體時，錨桿錨索等傳統的主動支護形式的可錨性降低，支護效果達不到設計要求。頂板較破碎時，嚴重制約工作面掘進、回采等任務，掘進時進行超前錨桿支護、回采時再進行二次支護，一定程度上可改善該問題。在頂板破碎或為弱層理結構的條件下，圍巖開采前采用超前錨桿支護技術提前對暴露的頂板進行支護，使圍巖在開挖后的原巖應力不被或者減少破壞，避免圍巖產生較大的形變，從而保證巷道頂板在未離層前得到有效支護。該礦頂板為厚頂板，根據現場實際情況最終提出“掘進超前支護+回采二次支護”的技術方案，達到巷道不同使用目的穩定性，為復雜破碎巷道頂板支護方案提供了實踐的依據，同時提高了巷道支護效果，對礦內推廣具有重大意義。

1 工程地質概況

1.1 地質概況

十盤區位于黃陵煤礦井田中部，其四周分別為為北鄰十一盤區，南與五盤區相接，東鄰三盤區，西接六盤區，其中1009輔運巷設計在十盤區內。1009輔運巷設計長度3 001.9 m，主采2號煤層，煤厚1.9～2.2 m，平均厚度2.1 m，直接頂為粉砂巖和泥巖，成分以石英為主，鈣質膠結，含植物化石碎片和星點云母片，中夾薄層中砂巖及砂質泥巖。泥巖為灰黑色，局部含少量粉砂巖，層理不明顯。底板為泥巖，灰黑色，易風化，易破碎，含少量植物化石碎屑。煤層頂底板巖性情況見表1。

表1 煤層及頂底板巖性Tab.1 Lithology of coal seam and roof and floor m

1.2 巷道支護形式參數

1009輔運巷道設計為矩形，巷道尺寸為2 800 mm×5 200 mm(長×寬)，采用錨桿錨索金屬網聯合全斷面支護。頂錨桿選用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索選用φ17.8 mm×10 300 mm防腐錨索，錨索梁采用T140型鋼帶加工，梁長3.6 m，排距1.0 m。其中，頂錨桿間距為850 mm，靠兩幫間距1.0 m，排距為1.0 m。錨索梁采用“橫向梁+走向梁”的十字方式進行支護，其中橫、縱梁均采用一梁四索；設計錨索梁距主幫側600 mm，錨索梁采用T140型鋼帶加工，梁長3.4 m，間距1.0 m，配合讓壓鎖具使用，錨深10.0 m。

兩幫采用均采用錨桿塑鋼網聯合支護，主幫、副幫分別為φ20 mm×2 500 mm普通玻璃鋼錨桿和φ20 mm×2 500 mm高強度玻璃鋼錨桿，每排4根，間排距均為700 mm×1 000 mm。

1.3 巷道頂板及生產現狀

(1)三維地震勘探報告表明，巷道鄰近3DF15斷層，掘進過程可能揭露伴生斷層致頂板較為破碎。

(2)根據現場實際生產情況，在巷道掘進過程中未發現斷層及構造造成的安全影響，頂板上方約500 mm左右的巖石較破碎，直接頂整體穩定性較差，當掘進至500～800 m時，頂板破碎情況尤為明顯，掘進期間，頂板隨掘隨落，厚度100～400 mm，此時循環進尺降為0.8 m(此時頂錨桿排距變更為0.8 m)，嚴重的制約了生產。

2 巷道支護設計方案

2.1 超前支護理念

超前支護是指對尚未開挖的巖體進行預支護，預防其在開挖時的垮落。這些巖土體主要是指一些開挖后來不及支護就會發生破壞性事故，如流沙、嚴重的破碎帶、松散的軟巖、高應力圍巖等[5-6]。

超前支護一般分為2類，分別為超前錨桿(或錨索)加固和帶注漿的超前錨桿加固。圍巖的破壞從本質上來說是漸進的，就是受擾動應力的加載，導致其內部就開始有破裂出現，圍巖變形增加，進而降低了巖體質量。因此，過大的變形對圍巖后期的承載是不利的。有時盡管巖土體沒有冒落或坍塌，但圍巖的破損可能發生在巖土體的內部，圍巖的承載能力可能已經有嚴重損失，以至在載荷進一步發展后(端部開挖)，圍巖很快就失效。因此，超前支護就是提前提供約束，減少圍巖質量在變形過程的降低[7-8]。

2.2 二次支護理念

受工作面回采、采空區、煤柱等因素影響，在原始支護方案在回采過程中易發生片幫、底鼓等礦壓顯現情況，難以滿足生產的需要。根據工作面布置情況對巷道的頂板、主副幫分別進行針對性支護。主副幫均對巷道底角進行支護，其中副幫(煤柱幫)采用強支護。

2.3 超前支護方案

根據1009輔運巷直接頂構造情況，為保證煤層頂板在巷道被開挖后的完整性，采用圍巖補強和組合梁理論對迎頭前未被暴露的頂板超前支護，通過施工超前錨桿，將錨桿錨固長度以內的圍巖組成組合梁，從而加強圍巖本身的抗彎能力和提高其承載能力，使之在巷道開挖后，巷道永久支護前保證頂板的完整性[9]。綜合錨桿施工工藝及有關文獻以及在結合實際施工探索的基礎上，現場施工中超前錨桿安設角度采用30°，誤差范圍28°～32°。其支護參數選取：φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(或強度相當的其他錨桿)；錨桿間距為850 mm，排距為2 000 mm，每排3～4根。錨固方式為每根錨桿消耗2節MSK2335型樹脂。同時為提高錨桿與頂板的結合力，要求錨桿預緊力不低于150 kN。支護設計如圖1所示。

圖1 頂板超前錨桿支護設計Fig.1 Roof advance bolt supporting design

2.4 二次支護方案

根據上述分析，在原有的基礎上在破碎區域的整個巷道斷面進行分式區二次支護，如圖2所示。

圖2 補強支護方案Fig.2 Reinforced supporting scheme

補強支護前，將頂、幫的網包先進行處理，遇聯巷、煤鉆場口均向里支護2 m。現場巷道變形不一致。為確保支護效果，二次支護的方式可適當進行調整。煤柱幫采用錨索代替錨桿進行補強支護。頂部在原支護鋼帶的基礎上采用“一梁兩索”交替邁步式進行補強支護。錨索采用φ17.8 mm×10 300 mm-19芯非防腐錨索配合索具，錨深10 m。設計孔距2.4 m，張拉力200 kN。新支護的錨索之間用錨網片整片連接。

煤柱側支護方案：采用錨索+塑鋼網聯合支護進行補強支護，錨索采用φ17.8 mm×5 300 mm-19芯防腐錨索配合索具，間排距700 mm×1 000 mm，采用鋼托盤，每根錨索采用4節錨固劑進行錨固，張拉力200 kN。煤墻側支護方案：采用規格為φ20 mm×2 500 mm高強樹脂錨桿，布置形式為在原有巷道錨桿間布置，每排3根，間排距為700 mm×1 000 mm。兩幫的底角錨桿采用用金屬錨桿支護，設計參數相同。錨桿規格為φ20 mm×2 500 mm，每根錨桿采用2節錨固劑進行錨固。錨桿設計傾角30°，預緊力100 kN，下壓木托盤。

2.5 施工注意事項

(1)超前支護。當頂板破碎時，在開機前及每循環割煤前，利用ZYC2X800/21/30型交錯式掘進超前支架的臨時支護，在有效的掩護下施工超前錨桿。在工作面正頭頂板的臨時支護處，傾斜向工作面打錨桿眼(與頂板夾角為30°)，保證錨桿與頂板的結合效果。為保證錨固的質量，控制錨桿眼深度和孔內干凈，充分始樹脂藥卷充分發揮作用，錨桿錨固力滿足100 kN。施工順序：交接班→打超前錨桿眼→安裝超前錨桿→綜掘機截割→刷幫清浮煤→敲幫問頂→連網及臨時支護→永久支護→打超前錨桿眼→安裝超前錨桿→下一循環→文明生產→現場交接班。

(2)二次支護。采用風動式錨桿鉆機進行打眼，副幫(煤柱側)采用的錨索型號符合要求。底角錨桿與底板夾角30°，為保證與底板結合效果，角度不可過小。打眼后必須進行吹孔，保證后期支護效果的錨固力滿足要求。

3 施工效果驗證

3.1 宏觀效果

在2號煤巷道掘進過程中，頂板上方約500 mm的巖石較破碎，雖然無大的漏頂，但100～300 mm范圍的漏頂經常出現。若不能滿足同排錨桿錨固在同層位的效果，降低了支護強度，難以保證支護質量。所以，必須采取合理的措施，保證頂板的完整性，達到安全生產的標準效果。同時當進行施工超前錨桿后，根據現場實際生產情況，一方面，在巷道掘進后能較好的控制頂板的完整性不掉落(此超前支護只起支撐作用，無擠壓加固作用)，且減小了永久支護過后，頂板的下沉量；另一方面，施工超前錨桿后，實際生產過程中循環進尺可由0.8 m增加為2～3 m(視具體情況)，極大的提高了掘進效率。

3.2 礦壓分析

另外為檢測施工超前錨桿和二次支護對巷道頂板后期變形的控制效果，通過離層觀測儀對永久支護后的巷道頂板下沉量進行觀測。分別在頂板超前支護區域和非超前支護區域各安設2套雙深度(A基點為深部基點，深8 m；B基點為淺部基點，深3 m)GYW300離層傳感器進行下沉量觀測，進行了48 h的觀測，其頂板下沉量與時間的關系如圖3所示。由圖3可看出，非超前支護區，在巷道巷道開挖后直接頂內部已出現離層，錨桿支護的有效性減弱，此時直接頂的承載能力已經降低，當頂板受壓穩定后，巷道頂板淺部圍巖下沉量最大達到20 mm，深部圍巖下沉量為7～8 mm。一定程度上會造成錨桿失效，不能有效阻止頂板下沉，錨固范圍內(2.5 m)和錨固區以外(8.0 m)的離層都相對比較明顯，此時錨固范圍內的巖體作為荷載多于作為承載體的作用。

圖3 頂板下沉量與時間關系Fig.3 Relationship between roof subsidence and time

巷道穩定后，頂板淺部圍巖下沉量最大為12 mm，錨固范圍之外的位移量是同一時期非支護區離層位移量的1/2～2/3，得到了有效控制。說明：超前錨桿與永久錨桿支護相結合，能有效控制破碎頂板下錨固范圍內的巖層變形，形成較理想的承載體，有效地阻止了錨固范圍以外圍巖的離層。

4 結論

(1)為了保證掘進期間頂板完整性提高掘進效率，破碎頂板巷道掘進期間可采取施工超前錨桿，割煤前提前向頂板前方支護超前錨桿。

(2)超前支護的錨桿可將破碎松散的巖體有效組合起來，從而加強圍巖本身的抗彎能力和提高其承載能力。二次支護對巷道頂、幫進行區域化支護，保證的巷道從成型到服務期間的穩定性。