掘进巷道顶板高冒区联合支护工艺实践

张明亮

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045400）

1 概述

山西新元煤炭有限责任公司3412回风巷位于位于一水平四采区，巷道西邻3411工作面，南接西辅助运输大巷、东靠3413工作面，北抵新元矿矿界（相邻开元矿）。

3412回风巷设计长度为1950 m，巷道断面为4.2 m×3.1m，巷道从西辅运大巷开口沿3#煤层顶底板平行掘进，巷道伪顶平均厚度为0.2 m，以炭质泥岩为主；直接顶以砂质泥岩为主，平均厚度为3.7m；基本顶以中砂岩为主，平均厚度为9.34 m，截至目前巷道已掘进755 m。

根据新元矿地测科提供资料显示，3412回风巷掘进至758m处时揭露一条正断层F9，断层落差为1.5m，倾角为55°，受构造应力影响巷道掘进至747 m处时顶板开始出现局部破碎现象，随着巷道不断延伸，顶板应力逐渐加大，当巷道掘进至748 m处时顶板出现漏顶现象，顶板局部形成高冒区，冒落高度达2.7 m，冒落区成半球形，冒落区直径达3.0 m。

2 顶板高冒区初步支护设计及问题分析

1）综掘三队对3412回风巷顶板高冒区初步采用锚杆、锚索支护，但是由于由于3412回风巷顶板冒落高度大，且冒落区岩层主要为砂质泥岩，该岩石普氏系数f=3.0，岩石硬度小，脆性大，易破碎，在处理冒落区锚杆、锚索永久支护时维护需搭工作盘，施工难度及安全隐患大。

2）高冒区永久支护施工完后，在巷道掘进5.0 m后受采动压力及上覆岩层压力影响，高冒区出现严重变形现象，顶板下沉量达0.55 m，随着巷道不断延伸高冒区边缘出现严重破碎现象，高冒区范围不断扩大。

3）由于高冒区仅采用单一锚杆、锚索进行维护，未采取其它填充措施 ，高冒区内通风不畅，使高冒区出现瓦斯积聚现象，通过检测发现，高冒区内采用锚杆、锚索支护后第一天瓦斯浓度为0.65%,第二天瓦斯浓度达1.3%，在五天检测时瓦斯浓度高达3.2%且向巷道涌出，严重威胁着巷道施工安全。

3 顶板高冒区联合支护措施研究

为了提高巷道顶板稳定性，避免破碎顶板垮落事故发生，新元煤矿综掘三队通过技术研究，决定对3412回风巷顶板高冒区采区“人工假顶+注浆+架棚”等联合支护措施进行维护，见图1。

图1 3412回风巷高冒区联合支护断面及局部剖面

3.1 人工假顶施工

（1）首先沿巷道掘进方向在高冒区两侧各施工一架锚索吊棚，锚索吊棚距高冒区边缘间距为1.5 m，每架锚索吊棚主要由一根长度为4.2 m工字钢梁及三根长度为8.0m，直径为21.6 mm高预应力钢绞线组成，锚索吊棚施工后确保锚索梁与顶板保持间距为0.5 m。

（2）待两架锚索吊棚施工完后对两根锚索梁水平度进行调整，确保两根钢梁在同一水平面上，钢梁调平后在其上方依次铺设5根长度7.0m工字钢纵梁，纵梁与锚索吊棚垂直布置且采用卡缆进行固定，纵梁间距为1.0 m。

（3）为防止注浆时出现漏浆，纵梁铺设完后在其上方依次铺设金属网、风带，金属网规格为长×宽=6.0 m×2.4m，金属网与纵梁之间采用8#铅丝进行三花捆绑。

（4）金属网及风带铺设完成后在其上方依次铺设多层半圆木，半圆木长度为3.0 m，第一层共布设6根半圆木且与纵梁垂直布置，间距为0.6 m；第二层半圆木与第一层垂直且成“井”型布置，依次类推直至道木与漏顶区域顶板接触严实。

（5）所有道木铺设完后采用型号为MQ22气动锚索张拉器具对锚索吊棚进行预紧。

3.2 注浆施工

为了进一步提高高冒区围岩稳定性，同时防止假顶区域出现瓦斯集聚现象，新元矿决定对假顶区域进行注浆填充。

首先在距高冒区边缘1.0m处施工5个注浆钻孔，钻孔垂直顶板布置，钻孔直径为42 mm，深度为5.0 m。

采用高压注浆泵依次向钻孔内注射马丽散粘剂，注浆期间发现钻孔附近煤体出现浆液渗透时立即停止注浆，并及时封孔。

待高冒区围岩注浆2 h后，采用气动专用注浆泵向假顶内间隙注射罗克休膨胀剂，膨胀剂主要由树脂与催化剂两种成份组成且配比为4∶1。

在注射罗克休膨胀剂时施工人员应站在上风侧，将注浆软管从假顶侧面深入高冒区顶部，注浆压力控制在0.4～0.7 MPa之间。

3.3 架棚施工

为了进一步提高人工假顶稳定性，待假顶及注浆施工完后在假顶区下方架设密集矩形工字钢棚。

（1）工字钢棚主要由两节棚腿、一节顶梁以及两个棚腿底座组成，棚腿长度为2.8 m，顶梁长度为4.0m，工字钢棚架设间距为1.0 m。

（2）为了防止倒棚事故发生，在安装棚腿底座前对安装地点进行起底浇筑，确保底座安装牢固，底座安装后将棚腿与底座采用连接螺栓固定，每节棚腿与巷帮采用锚杆锚固。

（3）待棚腿安装后将顶梁与两节棚腿采用卡缆固定并进行预紧，预紧力不得低于200N·m，为了提高钢棚之间联锁保护作用，在相邻两架钢棚之间采用五组拉杆进行固定，其中棚腿各两组成交错式布置，顶梁一组。

（4）所有钢棚架设完后在钢棚顶梁与假顶纵梁之间间隙处填塞水泥背板，确保钢棚与假顶之间接触严实。

4 应用效果分析

1）3412回风巷顶板高冒区采区“人工假顶+注浆+架棚”等联合支护措施进行维护，通过后期3个月观察发现，由于在第一个月内顶板高冒区受采动压力及重力影响，巷道顶板出现塑性变形且注浆区域压力稳定平衡，假顶区出现变形现象，最大下沉量为0.17 m，在后两个月内顶板应力得到平衡未发生变形现象。

2）采用注射马丽散粘剂对高冒区边缘破碎岩体进行粘合作用，提高了破碎岩体胶结稳定性及整体耦合性，使破碎岩体单轴抗压强度提高至19.2 MPa，有效防止了高冒区范围不断扩大。

3）采用洛克修膨胀剂高冒区人工假顶处间隙进行填充，不仅提高了假顶对冒落区顶板支护作用，而且有效解决了传统锚杆支护时冒落区易形成窝风区，瓦斯积聚的问题，在后期掘进期间，高冒区瓦斯浓度一直在0.2%以下。

5 结语

山西新元煤炭有限责任公司综掘三队通过技术研究，对3412回风巷顶板高冒区顶板采取“人工假顶+注浆+架棚”等联合支护措施，有效控制了高冒区变形及范围的扩大，提高了顶板稳定性，避免了高冒区瓦斯积聚，保证了巷道安全快速掘进，取得显著成效。