巷道过陷落柱围岩控制措施研究应用

赵慧龙

（阳煤集团长沟煤矿有限责任公司，山西 晋中 032700）

1 概况

阳煤集团长沟煤矿有限责任公司15121回风巷位于井田一采区，工作面东部紧邻F9正断层（产状：292°∠50°，H=60.0m）和15119工作面（回采），南部为和顺县正邦良顺煤业有限公司（矿界），西部紧邻15123工作面（已采），北部为南回风大巷。

15121回风巷设计长度为754m，巷道断面规格为宽×高=4.2×2.6m。施工巷道掘进煤层为石炭系15#煤层，平均厚度为4.87m，平均倾角为4°。15#煤层无伪顶，直接顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为6.93m，直接顶主要为K2石灰岩，平均厚度为6.0m。

15121回风巷在掘进过程中共揭露2个陷落柱：X1陷落柱（预计范围29m×28m），位于巷道141～150m；X2陷落柱（预计范围44m×29m），位于巷道494～523m。X1、X2陷落柱柱体内主要以破碎碳质泥岩填充为主，岩体破碎极不稳定，单轴抗压强度不足20MPa，对巷道影响较大。

2 过X1陷落柱期间顶板支护及问题分析

2.1 顶板支护

（1）钢带锚杆支护。顶板锚杆长度为2.0m，直径为22mm，每排布置5根，锚杆与M型钢带配套使用，M型钢带规格为长×宽=3.8×0.15m，钢带排距为1.0m。

（2）顶板锚索支护。顶板锚索长度为4.0m，直径为17.8mm，每排布置3根，锚索间距×排距=1.6×3.0m，每根锚索外露端采用一块宽度为0.3m钢托板及锁具进行预紧。

（3）工字钢棚支护。工字钢棚主要由11#工字钢梁焊制而成，钢棚规格与巷道断面规格一致，钢棚架设间距为1.0m。

2.2 存在问题及分析

（1）顶板稳定性差。由于X1陷落柱柱体内主要以碎状炭质泥岩为主，岩体不稳定，胶结性差，顶板无法形成稳定连续的承载梁，巷道掘进后受开挖应力及构造应力集中破坏作用，导致顶板破碎严重，且向顶板深部延伸。

（2）永久支护强度低。由于过陷落柱期间顶板破碎严重，锚杆、锚索锚固段位于破碎岩体内，导致锚杆、锚索锚固效果差，无法起到锚杆（索）悬吊支护作用，锚杆、锚索失效现象严重，失效率达19%。顶板采用的钢带宽度不足，在对破碎顶板支护时支护断面小。

（3）加强支护不合理。在过X1陷落柱时，通过架设密集工字钢棚对巷道顶板进行加强支护，但是由于工字钢棚钢性强，钢棚顶梁宽度为0.11m，在顶板应力作用下钢棚顶梁出现严重变形现象，而且钢棚产生被动支护时顶梁对破碎顶板产生切顶作用，加剧了顶板破碎现象。

（4）超前破坏严重。巷道在掘进时在工作面前方形成超前应力区，过陷落柱期间在超前应力作用下施工巷道顶板出现超前破坏严重现象，且随着巷道掘进延伸超前破坏区前移，导致巷道掘进后顶板破碎严重，永久支护难度大、效果差。

3 过X2陷落柱联合支护技术

3.1 深孔注浆支护

通过对过X1陷落柱顶板岩体观察发现，在过陷落柱期间顶板破碎最大深度达2.4m，且在陷落柱与煤体交界段煤体破碎严重，难以预留，形成不规则冒落带。决定采用在过陷落柱前5.0m处开始对顶板施工仰斜钻孔进行注浆施工的方案。

（1）工作面共布置3个注浆钻孔，且成“一”字型布置。钻孔间距为1.5m，直径为45mm，深度6.0m，仰角为30°，钻孔施工在距顶板0.5m处，其中中部钻孔水平角为0°，两侧钻孔与巷帮夹角为45°。

（2）注浆钻孔施工完后，依次对钻孔内埋入注浆软管，并在孔口0.3m范围内采用膨胀水泥进行封堵。为了提高岩体粘接效果，增加岩体裂隙粘接范围，缩短凝固时间，决定采用聚氨酯粘合剂作用注浆材料，注浆压力控制1.0～1.5MPa范围内，单孔注浆时间为15min。

（3）注浆2h后巷道方可继续掘进，巷道每掘进5.0m施工一排注浆孔，直至巷道完全过陷落柱5.0m后停止注浆施工，共计施工8排注浆孔。

3.2 超前水平恒阻锚索支护

对施工巷道设计顶板位置施工一排水平锚索，形成人工柔性假顶，在超前应力作用下可对顶板进行超前维护作用，从而降低了顶板超前破坏作用。

（1）通过现场分析发现，15121回风巷超前应力破坏范围在0～4m内，所以采用长度为5.0m、直径为21.6mm高预应力恒阻锚索。首先在工作面设计顶板位置施工一排水平超前支护钻孔，钻孔深度为5.0m，直径为30mm，每排共计9个钻孔，钻孔间距为0.5m。

（2）支护钻孔施工完后，依次对钻孔内填装两支锚固剂以及一根恒阻锚索，并采用钻机进行锚固，锚索锚固后外露长度控制在0.2～0.3m范围内，然后在外露端安装一根长度为4.0m波浪型夹板，并采用锚杆将其与顶板进行固定。

3.3 永久支护优化

为了提高永久支护强度，决定对原顶板永久支护进行优化，采用JW型钢带、加长锚杆（索）进行支护。

（1）JW型钢带。优化后顶板采用的JW型钢带长度为4.0m，宽度为0.28m，每根钢带上均匀焊制5个直径为30mm圆孔，钢带布置排距为1.0m。

（2）加长无纵筋螺纹锚杆。优化顶板锚杆长度为3.2m，直径为22mm，锚杆与钢带配套使用，锚杆间距为0.9m，排距为1.0m，每根锚杆配套两支锚固剂，一支快速MSK23/35型，一支超快速MSKC23/35型。

（3）恒阻锚索。优化顶板锚索采用长度为6.0m、直径为21.6mm恒阻高预应力钢绞线，每排布置三根，锚索间距、排距不变，在每一根锚索外露端安装一根长度为0.8m、宽度为0.35m“JW”型钢梁。如图1所示。

3.4 双梁锚棚支护

为了提高钢棚支护断面，防止钢棚顶梁切顶破坏，实现钢棚对顶板被动与主动联合支护作用，决定架设双梁锚棚支护。

（1）双梁锚棚支护主要由梯形双梁、棚腿、底座、抱箍以及三根锚索组成。梯形双梁主要由10#槽钢焊制而成，呈梯形结构，双梁长度为4.0m，宽度为0.5m；棚腿采用11#工字钢焊制而成，长度为2.6m。

（2）第一架双梁锚棚安装在距工作面3.0m处，安装钢棚顺序为：安装底座→安装棚腿→安装顶梁；待钢棚安装后，在梯形双梁上施工三根长度为4.0m、直径为21.6mm锚索将顶梁与顶板进行固定。

（3）双梁锚棚安装间距为1.5m，相邻两架钢棚之间采用两组连接杆进行连接；钢棚在巷道过陷落柱前3.0m处开始架设，直至完全过陷落柱3.0m后停止架设，共计架设22架。

图1 15121回风巷过X2陷落柱联合支护断面示意图

4 结论

（1）通过采用深孔注浆措施，改变了顶板破碎岩体力学性质，增加了岩体间内摩擦力，提高了岩体整体胶结稳定性及承载能力，保证了锚杆（索）锚固效果。

（2）超前水平恒阻锚索支护实现了对工作面超前应力区顶板超前维护，与传统超前锚杆支护相比，超前锚索具有较强的韧性，可对应力集中顶板起到有效的让压作用，保证了顶板完整性，防止了因集中应力作用顶板出现超前破碎现象。

（3）与传统工字钢棚相比，双梁锚棚支护对顶板支护面积大，钢棚变形小，避免了顶梁对顶板切顶破坏，同时双梁锚棚支护实现了对顶板主动、被动同时支护作用，支护效果好，可应用于较大应力变化围岩中支护。

15121回风巷采用联合支护措施过X2陷落柱后，顶板未出现严重破碎、冒落现象，最大下沉量控制在0.14m以下，顶板支护失效率控制在3%以下，巷道平均掘进速度提高至5.7m/d，保证了巷道安全高效掘进。