復(fù)雜條件下軟巖煤層支護(hù)工藝研究

王 亮

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033100）

1 概況

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦2112巷位于井田830水平南翼，東與830南翼皮帶巷相通，西至井田邊界，南為實(shí)體煤，北與9-109回采面相鄰（正在回采）。

2112 巷設(shè)計(jì)長度1157m，巷道斷面規(guī)格寬×高=4.8×3.0m，施工巷道從830南翼皮帶巷沿9#煤層頂板開口施工，掘進(jìn)煤層平均厚度3.0m。煤層直接頂主要以炭質(zhì)泥巖及煤層混合巖層為主，平均厚度為3.7m，巖體單軸抗壓強(qiáng)度35MPa，成層狀結(jié)構(gòu)，易破碎；基本頂主要以粉砂巖為主，平均厚度為9.7m，巖體單軸抗壓強(qiáng)度74MPa，巖體硬度大。施工巷道采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝，已經(jīng)掘進(jìn)440m。

2112 巷施工前通過三維地震探測(cè)發(fā)現(xiàn)，位于巷道前方460m處存在一條落差為2.4m、傾角為57°的斷層。施工巷道掘進(jìn)至435m處時(shí)頂板開始出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，預(yù)計(jì)破碎區(qū)長度為64m，應(yīng)力影響范圍內(nèi)巷道頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重。在頂板應(yīng)力破碎區(qū)內(nèi)巷道掘進(jìn)速度僅為3.4m/d，嚴(yán)重制約了巷道安全高效掘進(jìn)。

2 2112巷前期支護(hù)方案及支護(hù)技術(shù)難題

2.1 2112巷前期頂板支護(hù)方案

2112 巷初步支護(hù)設(shè)計(jì)頂板采用錨桿、錨索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)。頂板采用22mm左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，長度2.0m，頂板每排布置5根，間距為1.1m，排距為1.0m；頂板鋼帶長度為4.8m，每根鋼帶配套5根錨桿；頂板錨索直徑為17.8mm，長度為4.0m。

2.2 原支護(hù)主要存在的問題

（1）錨桿支護(hù)效果差。由于2112巷直接頂厚度為3.7m，不穩(wěn)定，在F5斷層應(yīng)力作用下，直接頂易破碎且向深部延伸，而原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中錨桿長度為2.0m，錨固端位于直接頂破碎巖體內(nèi)，不僅支護(hù)效果差，而且當(dāng)直接頂出現(xiàn)破碎、離層時(shí)，無法起到預(yù)期錨桿懸吊作用。

（2）錨索錨固質(zhì)量差。原支護(hù)設(shè)計(jì)中錨索長度為4.0m，錨索錨固端位于直接頂與基本頂交界面處，在應(yīng)力作用下，直接頂與基本頂之間很容易出現(xiàn)離層現(xiàn)象，導(dǎo)致錨索錨固失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

（3）頂板不穩(wěn)定。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，2112巷頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，且破碎范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力破壞了頂板原巖穩(wěn)定性，降低頂板巖體承載能力，造成頂板支護(hù)后為點(diǎn)性支護(hù)，無法起到組合梁作用。

（4）鋼帶承載能力低。原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中鋼帶采用寬度為0.15m、厚度為3.5mm“M”型鋼帶。該鋼帶支護(hù)斷面小、承載能力低，在應(yīng)力作用下，鋼帶易出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，降低了鋼帶對(duì)頂板支護(hù)效果。

3 2112頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦通過技術(shù)研究，決定對(duì)2112巷破碎頂板采取“超前注漿+超前撞楔支護(hù)+工字鋼棚”等聯(lián)合支護(hù)措施。

3.1 超前注漿支護(hù)施工

（1）2112巷掘進(jìn)至440m處時(shí)，對(duì)工作面頂板進(jìn)行超前注漿支護(hù)，采用“一字型”單排注漿鉆孔布置方式，如圖1所示。每排布置4個(gè)注漿孔，孔間距為1.2m，鉆孔直徑為42mm，鉆孔與頂板仰角為60°，鉆孔布置在距離頂板0.5m處。其中，位于兩幫鉆孔與巷幫夾角為30°，鉆孔終孔位置位于基本頂內(nèi)，相鄰兩排注漿鉆孔排距為3.0m。

（2）鉆孔施工完后依次對(duì)鉆孔內(nèi)埋入直徑為22mm注漿鋼管，在注漿口0.5m范圍內(nèi)采用型號(hào)為ZF-A22封孔器進(jìn)行封孔。鋼管外露端安裝球形流量控制閥，在流量控制閥另一端安裝注漿軟管并與型號(hào)為DBETX-1X/180G24-8NZ4M風(fēng)動(dòng)注漿泵連接。注漿液采用馬麗散與催化劑混合液，配比為1:1。

（3）注漿施工時(shí)應(yīng)按照“先低壓后高壓，由里向外”順序進(jìn)行施工，穩(wěn)定后注漿壓力保證在1.0～1.2MPa范圍內(nèi)，注漿期間溢流管返漿或煤壁滲液時(shí)立即停止注漿。

3.2 超前撞楔支護(hù)

為了防止巷道掘進(jìn)后在施工永久支護(hù)時(shí)空頂頂板出現(xiàn)破碎、冒落現(xiàn)象，保證巷道支護(hù)安全，決定在巷道掘進(jìn)時(shí)采用撞楔超前支護(hù)。

（1）巷道注漿支護(hù)施工完成3h后，在巷道原頂板設(shè)計(jì)位置采用ZQC-50/2.5S型氣動(dòng)手持式鉆機(jī)施工一排撞楔超前支護(hù)鉆孔。支護(hù)鉆孔與巷道走向一致，與工作面煤壁垂直布置，垂直角允許誤差為±2°。

（2）2112巷頂板每排施工9個(gè)支護(hù)鉆孔，鉆孔直徑為30mm，深度為3.5m，間距為0.5m，鉆孔施工完后及時(shí)采用風(fēng)管清理鉆孔內(nèi)煤屑。

（3）支護(hù)鉆孔施工完后，依次向鉆孔內(nèi)注入錨固劑及超前支護(hù)體，超前支護(hù)體主要采用的是長度為4.0m、直徑為25mm圓鋼。支護(hù)體錨固后外露長度不得超過0.5m，且在外露端安裝一根固定鋼帶，將超前支護(hù)體與頂板固定。

（4）第一排超前支護(hù)鉆孔施工完后，巷道在掘進(jìn)時(shí)應(yīng)降低掘進(jìn)機(jī)截割頭高度（0.5m左右），單茬掘進(jìn)深度為1.0m，掘進(jìn)后在超前支護(hù)掩護(hù)下及時(shí)施工永久錨桿、錨索支護(hù)。

（5）當(dāng)巷道掘進(jìn)3.0m后對(duì)巷道頂板施工第二排超前撞楔支護(hù)，相鄰兩排超前支護(hù)交錯(cuò)嵌入式布置，嵌入深度為0.5m，在嵌頭處采用鋼帶進(jìn)行固定。依次類推直至施工巷道完全過頂板破碎區(qū)域。

3.3 工字鋼棚支護(hù)

為了進(jìn)一步提高頂板穩(wěn)定性，防止頂板離層現(xiàn)象，決定在巷道破碎區(qū)域架設(shè)工字鋼棚。

（1）工作面注漿支護(hù)、撞楔支護(hù)及頂板永久支護(hù)施工完成后，在滯后工作面5.0m處開始架設(shè)11#工字鋼棚，該鋼棚主要由棚腿、卡蘭、頂梁、底座、連接桿、頂護(hù)板等部分組成。

（2）由于2112巷底板主要以炭質(zhì)泥巖為主，底板松軟，架棚前應(yīng)采用風(fēng)鎬對(duì)巷幫底板進(jìn)行起底施工。起底規(guī)格寬×深=0.3×0.3m，起底長度以架設(shè)鋼棚數(shù)量為準(zhǔn)。起底后將底座埋入起底坑內(nèi)并采用地錨進(jìn)行固定，然后采用C30混凝土進(jìn)行澆筑。

圖1 2112巷頂板破碎區(qū)域聯(lián)合支護(hù)斷面示意圖

（3）棚腿底座安裝后，將棚腿與底座之間采用螺栓連接，每條棚腿使用四條長度為120mm、直徑為20mm螺母。棚腿與頂梁之間采用卡蘭進(jìn)行固定，并保證卡蘭預(yù)緊力不得低于200N·m。

（4）鋼棚架設(shè)間距為1.0m。所有鋼棚架設(shè)完成后，相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用兩組連接桿進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。相鄰兩架棚頂梁之間安裝10塊長度為1.2m、寬度為0.4m水泥頂護(hù)板，保證頂護(hù)板與頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

4 結(jié) 語

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦綜掘二隊(duì)分析了2112巷在頂板破碎區(qū)域原頂板支護(hù)主要存在的問題，根據(jù)實(shí)際情況提出了“超前注漿+超前撞楔支護(hù)+工字鋼棚”等聯(lián)合支護(hù)措施，通過實(shí)際應(yīng)用取得了顯著成效。

（1）采用注漿支護(hù)后，注漿液滲透至頂板巖體裂隙帶并凝固進(jìn)行粘接，阻止了頂板破碎區(qū)域向深部進(jìn)一步延伸。通過對(duì)注漿巖體進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注漿后巖體強(qiáng)度提高至67.4MPa，提高了破碎巖體整體穩(wěn)定性，加強(qiáng)了頂板承載梁作用，保證了支護(hù)體支護(hù)效果。

（2）采用撞楔超前支護(hù)后，巷道掘進(jìn)時(shí)頂板控頂長度由原來的0.6m增加至1.7m，縮短了巷道掘進(jìn)支護(hù)時(shí)間，巷道掘進(jìn)后頂板破碎、冒落現(xiàn)象得到有效控制，保證了巷道施工安全，巷道掘進(jìn)速度由原來的3.4m/d提高至8.9m/d。

（3）采用鋼棚支護(hù)與永久支護(hù)聯(lián)合對(duì)頂板進(jìn)行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了頂板主動(dòng)與被動(dòng)支護(hù)聯(lián)合支護(hù)作用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)錨桿、錨索支護(hù)的不足，降低了集中應(yīng)力對(duì)頂板垂直破壞作用，防止了頂板下沉。通過后期應(yīng)用觀察發(fā)現(xiàn)，架棚后頂板最大下沉量為0.21m（前5d），且隨著時(shí)間推移下沉量趨于零。