破碎顶板大断面巷道联合支护技术应用

闫成柱

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜矿，山西 吕梁 033100）

1 概 述

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜矿1001巷位于一采区准备巷道左翼。工作面以东、南为实体煤，紧邻一采区边界，以西为10-1021巷，以北为一采区三条大巷。开口47～296m区域上部为9-102采空区，影响区长度为249m，层间平均厚度为9.5m。

1001巷掘进煤层为10#煤层，平均厚度为2.85m，平均倾角为3°，煤层结构复杂，煤层内含三层炭质泥岩。掘进煤层无伪顶，直接顶主要以黑灰色泥岩为主，平均厚度为3.23m，基本顶主要以深灰色灰岩为主，平均厚度为4.75m。1001巷设计断面规格为宽×高=4.8×3.1m。根据工作面地质条件，采用工程类比法对锚杆组合形式进行优化设计，借鉴同类型地质条件10-106工作面的支护经验，施工巷道采用锚杆、锚索联合支护。每排布置6根长度为2.0m左旋无纵筋螺纹刚锚杆，锚杆间距×排距=0.9×1.0m；顶板锚索采用长度为5.0m、直径为17.8mm预应力锚索，每排施工3根，间距×排距=1.6×3.0m。

由于1001巷受上部9-102采空区影响，巷道掘进至420m处顶板出现破碎现象，顶板锚杆、锚索失效现象严重。当巷道掘进至427m处顶板出现局部冒顶现象，顶板支护难度加大，巷道平均掘进速度降低至3.9m/d。

2 1001巷顶板破碎冒落原因分析

（1）顶板岩体稳定性差。1001巷顶板直接顶主要以炭质泥岩为主，该岩体成层状结构，岩体普氏系数f=2.5，岩体不稳定且承载能力低。在9-102采空区应力与基本顶之间出现离层现象，无法形成稳定的承载梁，巷道开挖后顶板应力加大，顶板出现破碎现象，且随着应力作用时间延长，顶板破碎松动圈范围扩大，严重时出现冒落现象。

（2）支护强度低。1001巷顶板采用锚杆长度为2.0m，锚杆锚固段位于顶板不稳定岩体内，随着顶板岩体破碎松动圈范围扩大，锚杆锚固失效现象严重，无法起到预期支护效果。顶板锚索虽然锚固端位于坚硬顶板内，但是单锚索支护属于点性支护，同一排锚索无法起到联锁支护作用，在应力作用下锚索间岩体易出现破碎现象。

（3）扰动破坏严重。1001巷顶板采用MT-130型风动锚索钻机配套六棱中空钻孔进行钻孔施工，钻机钻孔期间平均风压为0.7MPa，在钻孔过程中受压风对岩体产生致裂效应，导致顶板裂隙增加。而且顶板布置的支护钻孔数量多，破坏了顶板整体稳定性，加剧了顶板破碎。

3 1001巷破碎顶板联合支护措施

为了提高1001巷破碎顶板稳定性，加强顶板支护效果，木瓜矿生产技术科通过研究，采用锚杆注浆支护与π型钢棚支护联合支护措施进顶板维护。

3.1 锚杆注浆支护

（1）支护原理：锚杆注浆支护主要是利用支护钻孔作为注浆钻孔，减小钻孔施工工程量，降低钻孔施工时对不稳定顶板产生的扰动破坏。在锚固过程中，采用专用注浆锚杆对钻孔围岩进行高压注浆，实现全锚支护，填充了顶板煤岩体裂隙带，提高了岩体承载能力。

（2）支护器具：注浆锚杆、封孔器、直径为8mm注浆软杆、2ZBQ气动注浆泵、支护托板等。其中锚杆长度为3.5m，锚杆直径为25mm，锚杆内部为14mm注浆圆孔，距锚杆锚固段1.0m处位于锚杆四周依次布置三个直径为12mm外围圆孔，圆孔排距为0.5m，如图1所示。

（3）施工工艺：① 首先采用MT-130锚索钻具，配套六棱中空钻杆以及30mm“八”字型钻头进行支护钻孔施工，钻孔深度为3.2m，每排施工5个支护孔，孔间距为1.0m，排距为1.5m；② 支护钻孔施工完好，向钻孔底部填装两支锚固剂，一支MSCK23/35型，一支MSK23/60型，然后安装注浆锚杆并采用钻具锚固，锚固长度为0.9m，锚杆锚固后在距支护孔0.3m处安装封孔器进行封孔；③ 封孔后在锚杆内埋入注浆软管，软管另一端与2ZBQ气动注浆泵连接，然后高压注入聚氨酯粘合剂，注浆压力为0.8MPa。

3.2 “π”型钢棚支护

为了降低应力对顶板剪切破坏作用，进一步提高顶板承载能力，顶板锚杆注浆支护施工完后，在巷道内架设“π”型钢棚。

（1）“π”型钢棚主要由11#工字钢焊制而成，主要由棚腿（4根，每根长度为1.6m）、“π”型顶梁（一根，长度为4.8m）、卡缆、底座以及连接杆等部分组成。

（2）钢棚安装在滞后工作面5.0m处，钢棚架设间距为1.5m，架设钢棚前需对钢棚安装地点底板浮煤、顶板危岩进行清理，并由地测科在巷道顶板及两帮给定钢棚安装十字控制线。

图1 锚杆注浆支护结构剖面示意图

（3）首先在巷道内安装钢棚底座，底座采用地锚与底板固定。底座安装后应平整牢固，底座安装后将第一节棚腿与底座采用螺母连接，第一节棚腿安装后将第二节棚腿与第一节棚腿采用卡缆固定连接，并调整棚腿高度。在两节棚腿中部巷帮施工两根锚杆并采用夹板将棚腿与巷帮固定。

（4）两帮棚腿安装后安装“π”型顶梁，安装顶梁前需采用原木搭设工作盘，顶梁两端与棚腿采用卡扣式连接，并采用螺母将顶梁“八”字型固定杆与棚腿进行连接。

（5）钢棚整体安装后，在相邻两架钢棚棚腿之间安装四根连接杆，同时在相邻两架钢棚顶梁之间安装金属托板，确保钢棚能够对顶板全断面支护。

4 结束语

1001巷在掘进过程中采用“锚杆注浆+π型钢棚”联合支护措施，取得了显著成效。

（1）减少钻孔施工量。采用锚杆注浆支护时，支护钻孔兼做注浆钻孔，减少了顶板钻孔数量，降低了对破碎顶板的扰动破坏；降低了顶板支护工程量及劳动作业强度，与传统支护工艺相比，巷道每米支护时间缩短0.6h，巷道掘进速度提高至6.7m/d。

（2）降低了支护成本费用。原支护设计中每米巷道顶板需施工6根锚杆，1根锚索，1根钢带，支护材料费用为820元，而采用锚杆注浆支护及架棚支护后，每米支护成本费用为610元，过应力破碎区可节约支护成本费用为4.5万元。

（3）支护效果好。与传统锚杆支护相比，锚杆注浆支护实现了锚杆全锚支护，解决了岩体松动圈内锚杆锚固失效现象，失效率由原来的24%降低至3%；提高了破碎岩体胶结稳定性及承载能力；采用钢棚支护进一步提高了顶板稳定性，防止了顶板下沉、冒落现象，通过观察发现，架棚后顶板最大下沉量仅为0.13m，钢棚未出现变形现象。