软岩煤层顶板下沉区治理措施研究应用

皇甫旭光

（大同煤矿集团雁崖煤业公司，山西 大同 037003）

1 概 述

大同煤矿集团雁崖煤业公司5312巷位于井田三盘区西翼，巷道设计长度为1400m，巷道断面规格为宽×高=5.0×3.5m，巷道掘进煤层为山4#石炭系煤层，煤层平均厚度为3.5m。5312巷无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩、砂质泥岩混合层为主，其中炭质泥岩平均厚度为1.4m，砂质泥岩平均厚度为4.2m，该岩石层裂隙发育，岩石普氏系数f＜3.5，硬度低易破碎；基本顶主要以粗砂岩为主，岩石普氏系数f＞7.0，硬度高，巷道由机掘二队采用综合机械化工艺进行掘进，截至目前巷道已掘进580m。

5312巷顶板支护设计采用锚杆、锚索、W型钢带联合支护，顶板锚杆长度为2.5m，每排施工5根，每三排锚杆施工一排锚索，锚索间距为1.6m。由于巷道掘进至502m处揭露一条F4正断层，落差1.7m，倾角52°，受采动应力及构造应力影响，5312巷掘进至490m处F4断层带附近顶板出现下沉现象，当巷道掘进510m处顶板下沉区下沉量达0.32m，下沉区长度达22m。

2 前期顶板下沉区治理措施及效果分析

2.1 前期顶板下沉区治理措施

当巷道掘进至520m处时，为了阻止断层带附近顶板进一步下沉，决定对下沉处采取补打密集支护并施工假顶进行维护。

（1）补打密集锚索支护：在距F4断层10m处开始补打密集单锚索，锚索长度为5.0m，直径为17.8mm，每排施工三根，锚索间距为1.6m，锚索排距为1.0m，每根锚索配套一块长度为0.45m，宽度为0.28m钢带并采用锁具将其与顶板预紧。

（2）人工假顶：待密集锚索支护施工完后，在顶板下沉区每隔3.0m施工一架锚索吊棚，锚索吊棚主要由两根长度为8.0m、直径为21.6mm高预应力锚索，与长度为4.0m的11#工字钢配套组成，吊棚与顶板间距为0.5m；吊棚施工完后在相邻两架吊棚之间铺设厚度为5mm，长度为3.2m，宽度为0.3m木板，木板铺设后采用锚索张力器具将吊棚升起，确保木板与顶板接触严实。

2.2 效果分析

（1）由于巷道顶板受构造应力及采动压力影响，顶板破碎严重，通过顶板窥视孔发现，顶板往上0～3.0m范围内为严重破碎区，3.0～5.6m范围内为离层区，在破碎区域施工密集锚索钻孔难度大，成孔率低，而且锚索锚固端位于离层区域内，锚索施工完后失效现象严重，失效率达44%。

（2）F4断层影响破碎岩体单轴抗压强度大大降低，通过实验发现岩体单轴抗压强度仅为9.4MPa，采用人工假顶的方法进行破碎顶板维护时，由于顶板破碎岩体承载能力降低，顶板压力集中施加在假顶上，而且随着破碎区域不断向深部岩层延伸，离层区逐渐转化为破碎区，造成假顶变形严重，顶板下沉量逐渐加大，当巷道施工到540m处时顶板最大下沉量达0.47m。

3 顶板下沉区联合治理方法应用

为了进一步提高顶板下沉区稳定性，研究决定对顶板下沉区域采取“注浆+架设U29型钢棚”等联合方法进行治理。

3.1 注浆支护

（1）由于原巷道为矩形断面，为了提高巷道顶板承载能力，决定将下沉区域巷道顶板断面更改为拱形断面，首先对下沉区域（490～512m范围内）顶板进行挑顶维护，挑顶高度为0.5m，挑顶后保证巷道高度为4.0m，在挑顶期间每挑顶长度达0.5m后及时对巷道顶板采取锚杆、锚索、“W”型钢带以及金属网联合支护。

（2）当巷道挑顶长度达3m时，及时对挑顶区域进行注浆支护，每排施工四个垂直顶板注浆孔，且成扇形布置，注浆孔深度为5.0m，孔径为42mm，钻孔间距为1.2m，钻孔排距为3.0m。

（3）钻孔施工完后采用高压注浆泵向钻孔注射马丽散粘剂，马丽散粘剂采用马丽散与催化剂混合比为1:1的混合液，在注射浆液期间发现破碎岩体出现浆液渗透现象时及时停止注浆，并及时采用水泥砂浆进行封孔，封孔长度不得低于0.5m。

3.2 架设U29型钢棚

（1）待顶板下沉区挑顶且永久支护及注浆支护全部施工完后，在下沉区处架设密集U29型钢棚，该钢棚主要由两节棚腿，三节弧形顶梁、拉杆、卡缆等部分组成。其中每节棚腿长度为1.5m，弧形顶梁长度为2.2m，棚腿底座主要由规格为长×宽=0.3×0.3m钢板制成，并焊有两个直径为25mm的圆孔。

（2）首先将底座安装在坚硬底板处，并采用两根地锚杆将底座锚固在地板上，若底板相对松软应进行起底浇筑，同一钢棚两个底座安装后必须保持在同一水平上。

（3）底座安装后将棚腿与底座对接并采用两根长度120mm，直径为15mm连接螺栓进行固定。棚腿与底座固定后为了保证棚腿稳固，每根棚腿与巷帮之间采用两根锚杆及卡缆固定，如图1所示。

（4）棚腿固定后依次按住弧形顶梁，在安装顶梁时应搭设工作盘确保施工安全，顶梁与顶梁之间，以及顶梁与棚腿之间采用卡缆进行预紧，预紧力不得低于200N·m，顶梁安装后确保顶梁与顶板之间预留高度为0.15m间隙。

（5）U29型钢棚架设间距为1.5m，待所有钢棚架设完成后，在顶梁与顶板之间填塞长度为1.5m、宽度为0.3m水泥背板，并采用喷射水泥砂浆的方法将顶板空隙处进行封堵。为了保证钢棚间联锁保护作用，在相邻两架钢棚之间采用两组拉杆进行固定。

图1 三盘区5312巷顶板下沉区联合治理断面示意图

3.3 应用效果分析

（1）优化后，原巷道断面更改为拱形断面，有效提高了巷道顶板岩体自身承载能力，而且在拱形巷道施工的锚杆、锚索具有桁架支架作用，提高了支护效果，降低了外界作用力对顶板的影响。

（2）对巷道顶板施工马丽散注浆支护，提高了顶板破碎岩体胶结稳定性及耦合作用，注浆作用降低了顶板离层现象，阻止了顶板岩体破碎范围进一步扩大，增加了岩体单轴抗压强度，通过实验发现，注浆后岩体单轴抗压强度提高至64.2MPa。

（3）架设密集U29型钢棚对破碎顶板进行一步加固，降低了应力对顶板的破坏作用，同时通过喷射水泥砂浆的方法将钢棚与顶板形成一个整体，有效降低了顶板下沉现象，通过后期三个月观察发现，5312巷顶板下沉区采取联合治理措施后的第一个月顶板下沉量为0.12m，在第二个、第三个月内顶板下沉趋于稳定，在F4断层处应力最大，顶板下沉量为0.17m。

4 结束语

大同煤矿集团雁崖煤业公司通过技术研究，对5312巷顶板下沉区采取“注浆+施工U29型钢棚”的联合方法进行治理，实践证明，采取联合治理措施后，有效提高了破碎顶板稳定性，阻止了因顶板下沉发生冒顶、垮落等事故，保证施工巷道安全掘进，取得了显著安全效益。