管棚超前预支护在煤巷过陷落柱中的应用

申帅帅

（山西晋煤集团赵庄煤业，山西 晋城 048006）

在巷道掘进和回采过程中经常会遇到断层陷落柱等破碎带，选择合理的支护方法是安全、快速、可靠地过断层陷落柱的关键。特别在遇到含水量较大、顶板破碎严重的陷落柱构造区，需要采用先管棚注浆、后通过的施工方案，结合“短探、短注、短掘”工艺[1]，保证陷落柱区域顺利通过。以赵庄煤业1307 工作面为例，工作面回采至390 m 时遇到陷落柱DX214，巷道顶底板变形严重且呈现流变性，采用了管棚预支护+超前预注浆+补强支护后，有效保持了顶底板围岩的整体结构。

1 概况

1307 工作面位于一盘区， 工作面长度756 m，可采长度708 m，煤层平均厚度为4.66 m，采高3 m，煤层倾角1～9°。其工作面位置如图1 所示。1307工作面回采至390 m 时，物探报告分析存在陷落柱DX214，长轴约72 m，短轴约65 m，陷落柱前后50 m 左右范围内巷道顶底板围岩变形严重且不规则分布，松散软岩呈现出较强的流变性。

图1 1307 工作面及DX214 陷落柱位置图

针对1307 工作面地质条件，对13072 巷掘进过DX214 陷落柱前后50～100 m 采用超前预注浆加固+可伸缩性U 型金属棚[2]进行全断面支护，对陷落柱前后50 m 左右范围内采用超前管棚支护+预注浆加固+可伸缩性U 型金属棚支护。

2 支护设计

2.1 管棚尺寸

2.1.1 管棚长度

采用长度小于10 m 的短管棚，管棚长度可按下式确定：

式中：

L-管棚长度，m；

φ-围岩的内摩擦角，°；

H-围岩的塌落高度，m。

根据赵庄煤业巷道围岩条件及巷道情况，巷道一次开挖长度一般为10 m，围岩塌落高度在5～13 m左右，同时结合岩体的内摩擦角φ，初取L=6 m。

2.1.2 钢管规格

钢管示意图如图2 所示。

图2 钢管示意图

钢管一般采用Ф50×5 的热轧无缝钢管，首节管端削成锥状便于导向插入，两根钢管连接时宜采用100 mm 左右的丝扣连接。为便于水顺利流入钢管，安装时被切削的一面垂直朝上布置。

2.2 管棚位置参数

2.2.1 开孔位置

为保证管棚结构刚性，管棚的开孔位置不能与轮廓线过远，尤其是小直径管棚距离要求更高，一般取钢管中心距离开挖轮廓线30 cm。

2.2.2 环向间距

管棚间距与施工精度、相邻管棚间岩土的稳定性和防水系数相关。环向间距一般取0.3～0.4 m。

2.2.3 倾角

U 型棚钢管布置图如图3 所示。

图3 管棚支护断面图

钻孔施工时，为有效抵消钻头下垂引起的侵限问题，实际施工时会向巷道轮廓外有个角度，一般根据管棚长度，仰角范围为1～5°[3]。而对于含水量较大的巷道，管棚有一定的仰角有利于水的流入。由于本方案设计管棚长度6 m 为短管棚，所以采用较大仰角设计为5°，方向与线路中线平行。

2.2.4 搭接长度

U 型钢棚距为800 mm，为保证前后两根管棚搭接牢固可靠，设计钢管搭接长度为1200 mm，如图4 所示。

图4 管棚搭接示意图

支护效果图如图5 所示。

图5 管棚支护效果图

3 施工技术要求

（1）提前对构造进行探测，掌握构造类型、分布区域，为修改完善支护设计和巷道安全施工奠定前提基础。

（2）微震爆破或使用机械掘进。炮掘时要合理布置掏槽，减少装药量，防止震动过大，出现冒顶片帮事故。机械掘进时，截齿从巷中向周边破岩，预留周边用风镐刷大到设计断面。

（3）超前支护。超前支护除了超前预注浆、使用探顶杆外，如果工作面围岩随掘随冒，采用撞楔法超前护帮护顶。如果工作面片帮严重，采取先架棚后出岩的方式施工，确保支架紧贴迎头岩面。

（4）无论断层与陷落柱，极易于含水，如果过断层和陷落柱时水量大，支护时要考虑留有泄水孔。如果水量过大，探明水的来源，若水与承压水有关联，严格按照煤矿承压水防治要求执行。

4 应用效果

13072 巷采用管棚预支护+预注浆通过陷落柱后，分别对巷道围岩应力和顶底板、两帮移近量进行对比监测。监测结果表明，工作面进入陷落柱后，巷道变形进入加速阶段，随后逐渐趋于收敛，在矿压监测周期一个月内收敛量达到稳定，破碎带围岩自稳。顶底板最大平均移近量为217 mm，两帮收敛量为133 mm，顶底板移近量均大于两帮收敛量。