破碎顶板大断面煤巷支护技术研究

郭 忍

（汾西矿业集团高阳煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

随着煤炭采掘技术及综合机械化设备应用推广，井工矿井煤炭开采速度及产量等不断提升[1-2]。为满足煤炭开采时瓦斯稀释、通风、行人及物料运输等需要，井下回采巷道断面呈增加趋势[3-4]。大断面巷道给围岩控制特别是顶板支护带来新的挑战，特别是围岩破碎时顶板容易出现冒落问题，给巷道使用安全带来较大威胁[5-6]。

1 工程概况

1001 巷设计长度1 806 m，位于一采区右翼，主要用于采区煤炭运输及通风等，巷道邻近采区边界，西侧为101021 巷。巷道上覆为已回采完毕的9 号煤层9-105 采空区，层间距9.8 m，影响巷道长度345 m。

1001 巷沿着10 号煤层底板掘进，煤厚2.85 m、倾角5°，煤层结构复杂，中间含有厚度在0.5 m 以内的炭质泥岩。10 号煤层直接顶、基本顶分别为厚度3.3 m 泥岩、4.98 m 灰岩；直接底为厚度4.96 m 粉砂岩。1001 巷沿着10 号煤层底板掘进，巷道净宽4.8 m、净高3.1 m，采用EBZ160 综掘机破煤，锚网索支护围岩。1001 巷在掘进至9 号煤层9-105 采空区下方时顶板破碎、冒落风险显著增加，围岩控制困难，巷道掘进进尺由平均8.5 m/d 降至3.9 m/d。为此，需要针对1001 巷顶板破碎及断面大特点，采取针对性支护措施实现围岩有效控制。

2 掘进至顶板破碎区围岩控制难点

2.1 顶板稳定性差

1001 巷顶板岩性以泥岩及砂岩为主，岩体呈层状结构分布、层理发育，同时直接顶硬度普遍在2.5以内，直接顶岩层不稳定性及承载能力差。1001 巷在掘进至9 号煤层9-105 采空区下方时，顶板岩层破碎程度增加同时支护采用的锚网索没有可靠的锚固点，顶板出现一定离层情况，加之1001 巷宽度达到4.8 m，顶板极易出现冒落问题。

2.2 围岩支护强度低

1001 巷围岩支护时采用的锚杆长度为2.0 m，锚杆锚固端位于顶板不稳定岩层中，随着巷道围岩松动圈范围增加，锚杆失效问题突出，无法起到预期的围岩控制目的。顶板锚索锚杆端虽然位于稳定岩层内，但是由于锚索数量少、间排距大，无法对局部位置顶板冒落进行有效控制。

2.3 施工扰动

巷道顶板支护时采用风动钻机（MT-130）施工锚杆、锚索钻孔，钻孔施工过程中在风压作用下顶板岩层裂隙会进一步扩展；同时顶板布置的锚杆数量较多，锚杆及锚索钻孔施工会进一步增加顶板破碎程度。

3 大断面巷道破碎顶板支护技术

为提高大断面巷道破碎顶板围岩稳定性，提出采用主动支护、被动支柱相结合方式，即注浆锚杆、架棚相结合方式对顶板进行控制。

3.1 注浆锚杆施工

通过中空锚杆向顶板破碎岩体裂隙中注浆，可在提高顶板岩层稳定性及承载能力的同时降低顶板锚杆施工数量，从而降低锚杆施工给顶板岩层带来的稳定性。注浆锚杆施工使用的设备包括中空锚杆（Φ25 mm×3 500 mm）、注浆软管、封孔器、注浆泵（2ZBQ），具体注浆锚杆结构如下页图1 所示。

图1 注浆锚杆布置示意图

具体注浆锚杆施工工艺如下：

1）采用MT-120 钻机施工孔径为30 mm、孔深为3200mm钻孔，钻孔间排距分别为1000mm、1500mm。

2）锚杆钻孔施工完毕后，向孔底内装填一支MSC2335、一支MSK2360 锚固剂，确保锚杆锚固长度在900 mm 以上。

3）锚杆安装完毕后在距离孔口300 mm 以上位置安装封孔器进行封堵，并将注浆软管埋入钻杆内，注浆软管与气动注浆泵连接，向锚杆内注入聚氨酯，注浆压力设计为0.8 MPa。注浆锚杆施工完成后无须再采用锚索对顶板进行补强。

3.2 钢棚支护

为降低应力对顶板稳定性影响并进一步提高岩层支护强度，注浆锚杆施工完成后在巷道内使用π型钢棚支护顶板。π 型主要由工字钢（11 号）焊接制作而成，一架π 型钢棚包括2 个棚腿、1 个顶梁及卡缆、连接杆、底座等。1 个棚腿由2 根1.6 m 工字钢组成、顶梁长4 800 mm 工字钢。

钢棚滞后掘进迎头5 m，棚间距设计为1 500 mm。在钢棚架设前先清理顶板活矸、底板浮煤，确保安装地面围岩稳定。在钢棚安装完毕后，在邻近的2 架钢棚顶梁间布置金属托盘，使用4 根连接杆连接棚腿。具体钢棚布置如图2 所示。在巷道掘进过顶板破碎带期间，为确保架棚与破碎顶板密切接触，在两个邻近钢棚间采用水泥背板充填；当钢棚与破碎顶板间隙较大且采用水泥背板充填效果不佳时，可向孔隙间注射膨胀剂提高接触效果。

图2 钢棚布置示意图

4 结语

1001 巷巷道宽度为4.8 m、巷高3.2 m，巷道断面较大，巷道在掘进过顶板破碎带期间面临顶板冒落、围岩控制困难及支护体系失效等问题。为此，提出采用注浆锚杆+钢棚方式对大断面破碎顶板巷道围岩进行控制。在巷道顶板施工注浆锚杆后，顶板锚杆数量减少同时通过注浆可提高岩层承载能力及稳定性，在一定程度上减少了顶板锚杆施工耗时。采用钢棚可进一步增强顶板岩层支护强度，减少顶板下沉量。

经现场应用后，巷道掘进过顶板破碎带期间掘进速度保持在5.6 m/d，同时采用注浆锚杆、钢棚后顶板不需要再施工锚索实现围岩控制。现场监测期间巷道顶板最大下沉量控制在130 mm 以内，掘进过顶板破碎带期间未出现顶板冒落、钢棚变形等情况，取得显著应用成果。