復合頂板破碎機理及支護技術

李溪枝

（晉能控股煤業集團忻州有限公司，山西 忻州 034000）

1 王家嶺煤礦18104 運輸順槽概況

晉能控股煤業集團王家嶺煤礦18104 運輸順槽位于井田一采區，巷道北部為石塘村、石塘河保護煤柱及設計的開拓運輸巷，南部73 m 為井田邊界，西部為18106 回采工作面，東部為18102 工作面采空區。

18104 運輸順槽設計長度為1 616 m，巷道為矩形斷面，寬×高=4.5 m×3.7 m，巷道掘進煤層為4 號煤層，煤層平均厚度為6.15 m，平均傾角為5.5°，煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 18104 運輸順槽掘進的4 號煤層頂底板巖性

18104 運輸順槽采用EBZ 型掘進機掘進，巷道平均單進水平為7.0 m/d，截止目前巷道已掘進485 m，巷道掘進至480 m 處時巷道頂板出現破碎現象，巷道頂板錨桿出現局部失效現象。通過現場分析發現，巷道掘進至492 m 處時預計揭露一條F5 正斷層，斷層落差為1.8 m，傾角為52°，受構造應力影響，巷道圍巖出現失穩現象，圍巖破碎嚴重，增加了巷道支護難度，同時巷道掘進效率降低至3.8 m/d，嚴重制約著巷道安全、快速掘進。

2 巷道原支護設計及問題分析

2.1 巷道原支護設計

1）頂錨桿支護：每排采用5 根錨桿支護，排距1 000 mm；頂錨桿規格為Φ22 mm、L=2 500 mm，托板規格為260 mm×150 mm×10 mm，頂錨桿采用兩支樹脂藥，一支MSK23/35、另一支MSZ23/60，上部為快速、下中部為中速，錨固長度不少于0.95 m。

2）幫錨桿支護：每排采用3 根支護，排距3 000 mm、間距1 000 mm；錨桿規格為Φ20 mm、L=2 000 mm，托板規格為150 mm×150 mm×10 mm，幫錨桿采用一支MSZ23/60 樹脂藥錨固，錨固長度不少于0.6 m。

3）頂錨索：頂板錨索采用長度為6.3 m、直徑為17.8 mm 預應力錨索，每排布置3 根，錨索布置間距為1.8 m、排距為2.0 m，錨索外露端安裝長度及寬度均為0.3 m 預應力托盤。

2.2 支護問題分析

1）圍巖承載能力低：5311 巷掘進的是3 號與5號合并煤層，煤層整體穩定性差，屬于復合型煤層，煤層內含多層夾矸，巷道掘進過程中受構造應力影響，復合煤層穩定性差，頂板呈破碎裂隙狀，巖體內無法形成連續穩定承載梁結構，而原支護中錨桿（索）主要通過錨固作用固定在頂板上，若頂板破碎嚴重時，錨桿（索）錨固效果差、失效率高，錨桿（索）施加的預應力無法連續穩定地傳遞至穩定巖體中，降低了支護效果。

2）支護擾動影響：對于受外力影響小且穩定巖體施工支護數量越多，圍巖穩定性越好，但是對于應力破碎區圍巖，由于應力影響后圍巖出現破碎，若在該區域增加支護數量，不僅起不到有效的支護作用，反而受支護鉆孔擾動影響加劇了頂板破碎力度。

3）支護強度低：原支護中雖然頂板布置了錨桿、錨索，但是錨桿（索）承載件截面小、承載強度低，在應力作用下無法與頂板實現耦合支護作用，很容易出現變形、斷裂現象，降低了頂板支護強度。

3 破碎頂板支護優化

3.1 原永久支護優化

1）頂錨索支護優化：將原每排3 根單錨索替換為每排5 根，排距3.0 m；錨索直徑為Φ17.8 mm 及Φ21.8 mm，L=8 300 mm、10 300 mm，托板規格為220 mm×200 mm×12 mm，頂錨索采用3 支樹脂藥，一支MSK23/35、另兩支MSZ23/60，上部為快速、下中部為中速，錨固長度不少于1.55 m。

2）肩角錨索：每排采用2 根支護，排距3 000 mm；鋼絞線規格為Φ17.8 mm、L=4 300 mm，托板采用600 mm 短節11 號工字鋼，錨索采用3 支樹脂藥，一支MSK23/35、另兩支MSZ23/60，上部為快速、下中部為中速，錨固長度不少于1.5 m。

3.2 注漿加固

3.2.1 注漿原理

通過對破碎圍巖施工注漿鉆孔，然后對鉆孔內高壓注入馬麗散、聚氨酯及雷特因等化學黏接劑，由于化學注漿材料具有較強的流動性，在高壓作用下化學材料能夠完全滲透至巖體裂隙內，一方面，巖體注漿液完全充填裂隙后排擠出裂隙內空氣，從而減少裂隙帶氧化作用；另一方面，注漿液凝固后可形成具有一定黏接性、柔性的凝固體，可對破碎巖體二次重組，提高破碎圍巖整體穩定性[1-2]。

3.2.2 注漿工藝

1）注漿鉆孔布置在巷道迎頭煤壁上，每排布置3 個鉆孔，鉆孔間距為2.0 m（鉆孔編號為1 號、2 號、3 號），鉆孔距頂板距離為1.5 m，鉆孔直徑為45 mm，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔布置仰角為45°，其中1 號、2 號為幫孔，與巷幫夾角為30°，3 號為中部孔。

2）注漿鉆孔施工完后對鉆孔內安裝注漿軟管，注漿軟管直徑為30 mm，注漿軟管安裝后對孔口處采用膨脹水泥進行封孔，然后將注漿軟管外露端分別與注漿設備連接，連接順序為注漿軟管→雙向接頭→壓力表→控制閥→混合器→注漿泵→注漿桶，如圖1 所示。

圖1 注漿施工設備連接示意圖

3）巷道注漿完成2 h 后方可繼續掘進，巷道每掘進5.0 m 進行一次注漿施工，直至巷道完全過破碎帶，若注漿后局部區域注漿不到位出現破碎、冒漏時，需增補注漿孔進行注漿加固。

3.3 柔性梯形梁吊棚施工

為了防止頂板應力增大，導致頂板錨桿（索）支護失效，決定對應力區頂板施工柔性梯形梁吊棚[3-5]。

1）柔性梯形梁吊棚主要由梯形梁、恒阻錨索等部分組成，梯形梁由5 根長度為4.5 m、直徑為20 mm 圓鋼焊制而成，梯形梁寬度為0.5 m，梯形梁采用4 組夾板固定，梯形梁中部及兩端各焊制一塊長度為0.5 m、寬度為0.3 m 鋼板，鋼板中部焊制一個直徑為30 mm錨索支護孔，鋼板布置間距為1.8 m，恒阻錨索長度為8.3 m、直徑為21.8 mm。

2）梯形梁棚施工在相鄰兩排錨桿之間的頂板上，首先在頂板施工3 個深度為8.0 m、直徑為28 mm 錨索支護孔，支護孔垂直頂板布置，支護孔布置間距為1.8 m、排距為2.0 m，如圖2 所示。

圖2 18104 運輸順槽應力區頂板聯合支護平面示意圖（單位：mm）

4 結語

截至2021 年11 月21 日18104 運輸順槽已掘進550 m，巷道已過斷層應力區，圍巖趨于穩定，機掘二隊通過對應力區頂板采取注漿加固及梯形梁吊棚后，巷道在后期掘進過程中，頂板破碎、垮落現象得到了有效控制，復合頂板穩定性大大提高，降低了頂板下沉現象，現場實測頂板下沉量控制在0.13 m 以下，錨桿失效率降低至2%，巷道掘進速度提高至6.2 m/d，取得了顯著應用成效。