軟巖巷道頂板破碎機理及控制技術

杜 偉

（山西保利鐵新煤業有限公司，山西 晉中 031302）

1 概述

山西保利鐵新煤業有限公司二采區軌道巷位于井田東翼，巷道東部為二采區皮帶巷，西部為井田邊界保護煤柱且與汾西靈北煤礦相鄰，北部為二采區回風巷。

二采區軌道巷設計長度為1515 m，巷道為矩形斷面，斷面規格為寬×高=4.2 m×3.2 m。巷道掘進煤層為2#煤層，煤層可采厚度為0.8 m。煤層直接頂及基本頂主要以泥巖為主，局部摻雜砂質泥巖和砂巖，平均厚度為4.28 m。

二采區軌道巷掘進至465 m處將揭露一條F3正斷層，斷層落差為1.7 m，傾角為50°。受斷層應力以及掘進集中應力影響，掘進至450 m處時，巷道圍巖出現失穩現象，主要表現在頂板出現斷裂、離層垮落以及兩幫煤柱破碎收斂等現象，導致巷道成型效果差，巷道頂板成尖錐狀。巷道原永久支護對應區頂板支護效果差，頂板鋼帶不接頂、錨桿失效等現象嚴重。

2 巷道圍巖破碎機理

（1）斷層影響。二采區軌道巷在465 m處揭露一條正斷層，斷層破壞了掘進巷道煤巖層穩定性，斷層附近煤巖體裂隙發育，在構造應力以及巷道開挖等集中應力作用下斷層附近圍巖出現裂隙擴張破壞作用，降低了圍巖力學結構性質，導致圍巖破碎現象。

（2）頂板穩定性差。二采區軌道巷直接頂主要以泥巖、砂質泥巖和砂巖混合巖層為主，巖體以層狀結構為主，不同互層之間出現離層等現象，巖層單軸抗壓強度不足20 MPa，當巷道在集中應力作用下，頂板承載能力大大降低，頂板出現斷裂破碎現象。

（3）兩幫煤柱承載能力低。由于二采區軌道掘進的2#煤層均厚為0.8 m，巷道掘進高度為3.2 m，巷道沿2#煤層底板掘進，導致巷道兩幫煤柱為煤層與泥巖混合層，煤柱承載能力低，在應力作用下煤柱出現收斂、垮落等破壞現象，從而導致頂板與巷幫之間肩角煤柱垮落。

（4）支護效果差。二采區軌道巷前期掘進過程中頂板采用的錨桿長度為2.0 m，直徑為18 mm，錨桿間距為0.95 m，排距為1.0 m；而原頂板在受集中應力作用下頂板往上2.5 m范圍內巖體出現破碎、裂隙現象，且隨著頂板暴露時間以及支護弱化作用破碎區向巖體深部延伸，形成圍巖松動圈，當松動圈范圍擴大至錨桿錨固段時，導致錨桿失效現象嚴重。

3 破碎圍巖聯合控制技術

3.1 注漿加固

為了提高軌道巷應力區頂板整體穩定性[1-5]，決定對應力區巷道頂板采取注漿加固技術。

（1）注漿鉆孔施工在迎頭煤壁上，所有鉆孔距頂板1.0 m，每排布置四個注漿鉆孔（鉆孔編號為1#、2#、3#、4#），鉆孔間距為1.3 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為50 mm。

（2）其中1#、4#鉆孔為肩角鉆孔，2#、3#鉆孔為頂板鉆孔，1#～4#鉆孔仰角為60°，2#、3#鉆孔水平角為0°，1#、4#鉆孔水平角為20°，鉆孔布置排距為5.0 m，如圖1。

圖1 二采區軌道頂板注漿鉆孔布置示意圖

（3）注漿鉆孔施工完后采用海帶、紗布、水泥漿對孔口0.2 m范圍內進行封堵，同時對鉆孔內安裝長度為2.5 m注漿花管并進行注漿施工，注漿液采用水泥與水玻璃混合漿液。

3.2 原頂板支護優化

為了提高頂板永久支護質量，降低頂板支護失效率，決定對原頂板錨桿、錨索支護進行合理優化。

（1）優化后頂板采用端頭膨脹螺紋式鋼錨桿，錨桿長度為3.0 m，直徑為22 mm。錨桿端頭安裝一個長度為0.3 m膨脹器，錨桿在高速攪拌錨固過程中膨脹器發生膨脹作用，提高了錨桿端頭錨固效果，同時膨脹器對鉆孔壁進行擠壓，控制端頭鉆孔壁裂隙擴張破壞作用。頂板每排布置5根端頭膨脹錨桿，錨桿間排距為1.0 m，每排錨桿外露端安裝一根長度為4.2 m、寬度為0.38 m“JW”型鋼帶，如圖2。

圖2 二采區軌道巷破碎頂板優化后支護斷面示意圖（單位：mm）

（2）優化后頂板錨索采用“三.三”布置方式，錨索長度變更為8.0 m，直徑為21.8 mm，錨索間距為1.5 m，排距為3.0 m。錨索施工后在外露端安裝一根長度為3.5 m“W”型鋼梁對頂板進行預緊固定。與傳統工字鋼梁相比，W型鋼梁具有支護斷面大、支護強度高且變形率低等優點。

3.3 梯形雙梁支護

為了進一步提高應力區頂板穩定性，巷道頂板永久支護優化后以及注漿完成后，對巷道架設梯形雙梁鋼棚。

（1）梯形雙梁鋼棚主要由梯形雙頂梁、棚腿、底座、卡纜等部分組成。頂梁長4.0 m，寬0.5 m，頂梁主要由兩根長度為4.2 m槽鋼通過連接鋼梁焊接而成。

（2）棚腿長度為3.2 m，主要由12#工字鋼梁制成。棚腿與頂梁之間采用夾板以及螺母進行固定，棚腿底座安裝在底板以下0.2 m處，底座安裝后采用混凝土對其與頂板進行澆筑固定。

（3）安裝間距為1.5 m，梯形雙梁鋼棚滯后工作面迎頭3 m安裝，梯形雙梁每安裝5架后及時對鋼棚棚腿之間安裝連接桿進行聯鎖固定，鋼棚在安裝過程中因頂板破碎、變形導致頂梁與頂板接觸不嚴實時，在頂梁與頂板之間必須采用水泥背板進行填充。

4 效果

鐵新煤礦分析了二采區軌道巷頂板破碎機理，并提出了合理有效的圍巖控制技術，通過實際應用取得了顯著應用成效。

（1）通過對二采區軌道巷頂板采取注漿加固技術后，有效控制了應力作用下頂板裂隙發育現象，防止了裂隙擴張破壞作用導致頂板出現破碎、斷裂現象，對圍巖裂隙進行有效的填充和封堵。

（2）通過對原頂板永久支護進行優化，采用端頭膨脹錨桿以及W型錨索梁棚支護后，解決了傳統錨桿支護時支護長度不足、支護強度低、錨固效果差等技術難題，起到了支護體對頂板的懸吊以及組合梁作用。

（3）二采區軌道破碎巷頂板采用矩形鋼棚后，降低了集中應力對頂板及兩幫煤柱破壞作用，減少了頂板下沉量，有效提高了頂板支護作用。

截至2020年7月二采區軌道巷已掘進到位，通過對F3斷層應力區頂板支護優化后，巷道頂板下沉量控制0.14 m以下，兩幫收斂量控制0.24 m以下，大大提高了巷道成型率，提高了巷道圍巖整體穩定性，取得了顯著應用成效。