“撞楔+钢棚+喷浆”联合支护在断层破碎带中应用

张艳军

（山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西 吕梁 033102）

1 概况

山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿2062巷掘进工作面位于二盘区准备巷道北翼。工作面上部为实体煤岩层，以南为二盘区三条准备大巷，以北为实体煤，掘进至末端切巷位置靠近鼎盛陶瓷土矿采掘范围，工作面以东为实体煤，以西为202采空区。

2062巷设计长度为1500 m，巷道为矩形断面，巷道宽度为4.2 m，高度为3.0 m。2062巷布置在石炭系下统太原组的9#与10#煤合并层中，9#煤层厚度为3.9～4.3 m，平均厚度4.1 m，10#煤层厚度为1.6～1.7 m，平均厚度1.65 m。9#煤与10#煤层夹矸厚度为0.3～0.4 m，平均厚度0.35 m，倾角5°～9°，平均7°。煤岩层赋存较稳定，煤岩类型：半亮煤，牌号：焦煤。煤层顶、底板岩层特征见表1。

表1 煤层顶底板岩层特征表

目前巷道已掘进400 m，前300 m巷道围岩相对稳定，顶板及两帮未出现大面积破碎、片帮现象。当巷道掘进至350 m时巷道围岩严重破碎，巷道掘进后在支护前迎头煤壁片帮严重，导致局部冒落现象。

2 巷道围岩破碎机理

（1）煤层结构复杂。2062巷掘进煤层为9#与10#合并煤层，总厚6.1 m，巷道掘进高度为3.0 m，留顶煤厚度为3.1 m。9#与10#煤层为不连续煤层，而且夹矸影响了煤层整体稳定性，导致煤层承载能力低，巷道掘进过程中易出现剥离破坏作用。

（2）顶板支护效果差。2062巷顶板主要采用锚杆（索）、金属网联合支护，两帮主要采用单锚杆支护。顶板锚杆长度为2.5 m，而巷道顶煤厚度为3.1 m，煤层直接顶为泥岩，煤层与泥岩胶结稳定性差，锚杆支护后很容易出现锚杆端锚固离层失效现象，造成巷道掘进后顶煤达不到有效支护预紧作用。随着巷道延伸，顶板出现失稳现象，从而导致顶板局部冒落。同时，巷道掘进后仅采用锚杆（索）进行围岩控制，在长期卸压以及风化作用下围岩力学结构发生变化，两帮煤柱支撑作用强度降低，致使顶板悬臂结构稳定性差，出现顶板破碎、肩角煤柱垮落等现象。

（3）集中应力影响。根据钻孔探测发现，2062巷掘进至420 m处位于东部22 m处存在一条X6陷落柱，陷落柱对巷道影响长度为41 m。2062巷布置在陷落柱与202采空区残余应力叠加区，导致巷道掘进至350 m处时巷道围岩应力显现现象严重，围岩破碎严重。

3 “撞楔+矩形钢棚+喷浆”联合支护技术应用

3.1 撞楔超前支护

3.1.1 支护原理

撞楔超前支护主要是沿巷道轮廓顶板线施工与巷道轴线平行的支护钻孔，然后在钻孔内安装锚杆、钢针等超前支护体，形成管棚支护，对管棚周围围岩形成一个整体进行先行支护，并以掌子面和后方支撑为支点形成一个梁式结构，产生梁效应支护作用，如图1，把巷道开挖后顶板围岩破碎区控制在最小范围内，防止围岩松弛和垮落。该支护特点是巷道掘进过程中采用撞楔支护对未掘范围的上部岩层进行控制，缩减新揭露岩石的跨度，降低冒顶概率，提高顶板稳定性[1-5]。

图1 撞楔超前支护梁效应示意图

3.1.2 施工工艺

（1）撞楔超前支护体。2062巷顶板采用的超前支护体为长度5.0 m、直径45 mm 管缝锚杆，每排布置20根管缝锚杆。

（2）钻孔布置。撞楔超前支护钻孔采用YT-27型风钻配套中空钻杆以及直径为50 mm“一”字型钻头施工。钻孔布置在巷道顶板轮廓线上，每排布置20个，钻孔直径为50 mm，深度为4.5 m，间距为0.2 m。

（3）支护施工。支护钻孔施工完后，将管缝锚杆依次安装到钻孔内，钻孔内的支护体稳固在超前煤体内，外露煤体通过顶板钢带或矩形钢棚与顶板进行固定，从而发挥撞楔超前支护梁效应支护作用。

3.2 矩形钢棚支护

为了进一步提高顶板稳定性，保证撞楔支护效果，在滞后迎头5.0 m处架设密集工字钢棚。

（1）工字钢棚为矩形断面，钢棚高度为3.0 m，宽度为4.2 m。钢棚棚腿由11#钢梁制成，顶梁主要由18#槽钢支护，钢棚棚腿与顶梁之间采用抱箍进行固定。

（2）钢棚架设间距为1.0 m，钢棚架设后在钢棚顶梁上方铺设一层背板，保证钢棚与顶板具有足够的支撑作用力。巷道掘进后钢棚架设在超前支护下方，提高超前支护的梁效应作用。

3.3 混凝土喷浆支护

3.3.1 混凝土配比

为了进一步控制围岩稳定性，巷道钢棚支护和超前支护施工完成后，采用混凝土喷浆支护。喷浆混凝土配比为水泥31%、砂石64%、硅粉掺量3%、波浪型钢纤维掺量1.5%、减水剂掺率0.5%。喷浆混凝土中掺杂硅粉和钢纤维主要目的如下：

（1）由于硅粉粒径较小，混凝土中掺杂硅粉后能够充填水泥与集料颗粒之间的空隙，从而提高混凝土凝固体致密性。同时，硅粉可以约束混凝土表面毛细水，从而减少混凝土凝固后泌水量，提高混凝土各组分的粘接力，提高混凝土固体强度。

（2）由于钢纤维屈服强度、力学性能远高于混凝土固体，在混凝土中掺杂钢纤维后能够有效缓解混凝土固体变形破坏作用，对混凝土固体起到防裂、防变形作用，提高固体抗击强度。

3.3.2 喷浆施工

（1）采用PZ-7型喷浆机进行喷浆施工。该型号喷浆机电机功率7.5 kW，最大传输距离100 m，喷射能力为5 m3/h，工作压力为0.4～2 MPa，允许最大骨料粒径为15 mm，耗风量为13 m3/h。

（2）2062巷从350 m处开始对巷道顶板及两帮进行喷浆施工，采用初喷与复喷两道工序，初喷滞后工作面不得超过15 m，复喷滞后工作面不得超过30 m。喷浆施工时避免点射，喷射面以30～50 mm为直径划圈子，每层反压半圈层叠成鱼鳞状。初喷厚度控制在50～100 mm之间，复喷厚度控制在100～150 mm之间。

（3）巷道喷浆后每隔10 m在两帮及顶板处各安装一个EBJ-C型钢弦应变计，定期对巷道及顶板收敛情况进行观察。

4 结论

（1）破碎顶板采用撞楔超前支护后，控制了巷道顶板超前破碎，不仅保证了巷道掘进后永久支护施工安全，而且超前支护形成的梁式结构提高了顶板稳定性，避免了煤壁片帮、顶板空顶距加大等现象，保证了巷道掘进安全。

（2）对巷道架设密集工字钢棚，实现了不稳定顶板主动与被动支护相结合的支护作用，提高了顶板支护强度，降低了因两帮煤柱支撑强度低、垂直应力对巷帮煤柱产生剪切破坏作用。

（3）通过对不稳定围岩采取喷浆支护，围岩表面的喷浆层能够有效抵抗岩石内剪切应力破坏作用；同时通过喷浆可提高破碎岩体之间的联锁咬合作用，控制围岩变形现象。