大跨度切眼破碎頂板加固技術研究

孟小強

（汾西礦業集團柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

0 引言

隨著礦井先進、大功率采掘設備的推廣應用，采掘作業面推進速度不斷增大，回采巷道及切眼斷面尺寸明顯增大，由于切眼是煤炭開采設備安裝位置，切眼寬度不斷增加[1-2]。大跨度切眼雖然可滿足采面設備安裝、通風等需要，但是大跨度切眼也面臨圍巖變形量大、支護困難以及礦壓顯現明顯等問題[3-4]。特別是大跨度切眼頂板破碎時，若采取的支護措施不合理，容易導致圍巖大變形或者頂板大面積冒落問題。破碎頂板大跨度切眼圍巖控制的關鍵在于維護破碎頂板穩定，注漿可提高頂板自身承載能力、改善頂板巖體整體穩定性，是頂板控制中常用的技術措施[5]。眾多的學者及工程技術人員也從破碎巖體注漿加固機理、注漿漿液配比、注漿材料選擇以及注漿工藝等方面展開廣泛研究，并取得較為顯著的應用成果[6-7]。文章就在前人研究成果基礎上，針對山西某礦3503切眼陷落柱影響區頂板破碎問題，提出以注漿為核心的圍巖支護技術手段，通過破碎頂板超前加固實現了大跨度切眼圍巖變形有效控制。

1 3503 工作面概況

山西某礦設計產能為120 萬t/a，現階段生產主要集中在5 號煤層，煤層厚度在5.3～6.9 m、傾角3°～6°，埋深均值為260 m。3503 采煤工作面切眼與X12陷落柱間留設有15 m 保護煤柱，采面設計走向推進長度890 m、切眼斜長240 m。3503 采煤工作面主要的開采設備包括 MG750/1980-WD 采煤機、ZY13000/30/65D 液壓支架、SGZ1000/2×1200 型刮板輸送機，采面設計的切眼跨度為9.5 m、巷高為4.0 m。3503 采煤工作面回采巷道在掘進期間揭露的頂板較為破碎，巷道通過長錨索、金屬網、W 鋼帶及錨桿方式進行支護，局部區域通過頂板注漿方式進行控制。

為給3503 大跨度切眼圍巖支護開展提供指導，在切眼開口位置向頂板施工窺視鉆孔，具體鉆孔窺視結果如圖1 所示。從圖1 中看出，切眼頂板上巖體承載能力較低、裂隙發育且部分位置存在空洞。由于切眼跨度大且切頂頂板巖層破碎、裂隙發育，導致切眼在掘進以及后續支護過程中面臨支護體系失效、圍巖變形量大等問題。為此，提出通過注漿方式對大跨度切眼頂板進行加固。

2 注漿加固技術應用

由于3503 切眼高度為4.0 m、跨度為9.5 m，且切眼頂板破碎、承載能力差。為此，提出采用超前注漿方式提高切眼頂板強度。頂板通過全錨索方式支護并適當增大錨固長度，通過懸吊作用將淺部加固后的巖體與深部穩定巖體形成整體；同時強化巷幫支護，避免巷幫在礦壓作用下出現大變形問題。針對切眼跨度大問題，采用分段開挖、分段支護方式，先掘進寬度5.4 m、高度4.0 m 的巷道，待與兩側回采巷道貫通后，刷擴巷幫，使得切眼跨度達到9.5 m。

2.1 注漿加固設計

通過對破碎頂板注漿，漿液在頂板裂隙中擴展、膠結，可提高破碎頂板整體強度及承載能力，從而為頂板變形控制創造良好條件。考慮到3503 切眼跨度大、頂板破碎，頂板注漿選用水泥- 水玻璃雙液漿，其中水泥為普通硅酸鹽水泥，強度為C42.5，漿液中水灰質量比為0.9∶1，其中水泥、水玻璃配比為0.2∶1。頂板注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，注漿孔孔徑為32 mm。在切眼一次掘進及巷幫刷擴期間均布置注漿孔，以加固頂板破碎巖體。

2.1.1 切眼一次掘進期間注漿孔布置

在切眼一次掘進期間通過長短鉆孔相結合方式進行注漿，在掘進迎頭按照“三三”方式布置注漿鉆孔，其中中間注漿孔深度為4.0 m、角度30°，兩側注漿孔深度均為6 m、角度60°；注漿鉆孔間距、排距分別為2.0 m、3.0 m。切眼一次掘進期間注漿孔布置示意圖，如圖2 所示。

圖2 切眼一次掘進期間注漿孔布置示意圖（單位：mm）

2.1.2 巷幫刷擴側注漿鉆孔布置

切眼巷幫刷擴期間，在頂板靠近刷擴幫位置布置長短注漿孔，其中長注漿孔深度為8 m、角度為60°，短注漿孔深度為4 m、角度為30°。注漿孔布置間距均為2.0 m。具體注漿孔布置如圖3 所示。

圖3 巷幫刷擴側注漿鉆孔布置示意圖（單位：mm）

2.2 切眼圍巖支護設計

2.2.1 切眼一次掘進期間圍巖支護設計

針對3503 切眼頂板松軟、破碎以及切眼跨度大問題，提出頂板采用全斷面錨索方式進行支護。在切眼一次掘進時，頂板按照“六六”布置方式，頂板支護采用的錨索規格為Φ21.8 mm×10 300 mm 的鋼絞線，布置間排距為1 000 mm、800 mm，使用2 支CKb2340、2 支Z2360 樹脂錨固劑錨固；錨索配套使用拱形托盤（規格250 mm×250 mm），每排錨索采用1 根長度5 300 mm 的W 鋼帶連接，鋼帶上按照1 000 mm 間距布置有6 個孔。錨索施工完成后預先施加200 kN 以上預緊力。

非刷擴幫采用規格Φ22 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿支護、刷擴幫采用Φ22 mm×2 000 mm 玻璃鋼錨桿支護，布置間排距為1 500 mm、800 mm，錨桿按照“三三”布置方式，采用1 支CKb2340、1 支Z2360 樹脂錨固劑錨固，巷幫（包括非刷擴幫及刷擴幫）錨桿布置間排距均為1 500 mm、800 mm。

2.2.2 巷幫刷擴側圍巖支護設計

在3503 切眼巷幫刷擴側頂板采用Φ21.8 mm×10 300 mm 的鋼絞線支護，按照“五五”布置方式，頂板錨索布置間排距為900 mm、800 mm，錨索采用5 孔W 鋼帶連接，錨固方式、托盤及施加的預緊力與切眼一次掘進期間一致。由于刷擴側切眼斷面大，為此在切眼頂板中部位置施工桁架錨索，組成包括Φ21.8mm×12 300 mm 鋼絞線、合槽鋼，錨索均有70°外插角，布置間排距為2 000 mm、800 mm；桁架錨索與普通錨索交替布置。具體大跨度切眼支護設計如圖4 所示。

圖4 切眼圍巖支護斷面（單位：mm）

3 圍巖支護效果分析

在3503 大跨度切眼采用分次掘進方式掘進，在切眼一次掘進期間迎頭布置的注漿鉆孔、刷擴前在巷道頂板向刷擴段頂板布置注漿鉆孔。3503 大跨度切眼注漿、掘進及支護等工作共計耗時105 d，其中施工365 個注漿鉆孔，累積注入水泥約210 t、水玻璃約41.9 t。

在切眼一次掘進期間及刷擴期間均布置測點監測圍巖變形量，具體監測結果如圖5 所示。從圖5 中看出，切眼一次掘進側支護完成15 d 后圍巖變形即趨于穩定，其中頂底板、巷幫最大變形量分別為28 mm、36 mm；切眼二次刷擴側由于受掘進、跨度大等因素影響，刷擴完成后圍巖變形量有所增加，支護后約16 d圍巖變形趨于穩定，其中頂底板、巷幫最大變形量分別為75 mm、63 mm，切眼圍巖變形量整體較小。切眼圍巖變形監測表明，大跨度切眼破碎頂板采用分次掘進、頂板注漿及頂板全面錨索支護方式可有效控制圍巖變形，為切眼內采煤設備安裝創造良好條件。

圖5 圍巖變形監測曲線

4 結語

3503 切眼頂板為破碎軟巖且切眼跨度大，導致切眼圍巖變形控制難度高，容易出現頂板冒落或者頂板大變形等問題。結合3503 切眼現場情況，提出采用水泥- 水玻璃漿對破碎頂板進行加固，提高破碎頂板承載能力及整體穩定性，頂板采用全斷面錨索支護減少變形量。

3503 切眼采用一次掘進、二次刷擴方式減少掘進難度及圍巖變形量。在切眼一次掘進期間迎頭布置注漿鉆孔，在巷幫刷擴前對刷擴段頂板進行注漿。現場應用后，3503 切眼破碎頂板穩定、強度等均得以顯著提升，監測得到切眼頂底板、巷幫最大變形量分別為75 mm、63 mm，實現了大跨度切眼破碎頂板圍巖變形有效控制。