复合顶板破碎机理及支护技术

李溪枝

（晋能控股煤业集团忻州有限公司，山西 忻州 034000）

1 王家岭煤矿18104 运输顺槽概况

晋能控股煤业集团王家岭煤矿18104 运输顺槽位于井田一采区，巷道北部为石塘村、石塘河保护煤柱及设计的开拓运输巷，南部73 m 为井田边界，西部为18106 回采工作面，东部为18102 工作面采空区。

18104 运输顺槽设计长度为1 616 m，巷道为矩形断面，宽×高=4.5 m×3.7 m，巷道掘进煤层为4 号煤层，煤层平均厚度为6.15 m，平均倾角为5.5°，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 18104 运输顺槽掘进的4 号煤层顶底板岩性

18104 运输顺槽采用EBZ 型掘进机掘进，巷道平均单进水平为7.0 m/d，截止目前巷道已掘进485 m，巷道掘进至480 m 处时巷道顶板出现破碎现象，巷道顶板锚杆出现局部失效现象。通过现场分析发现，巷道掘进至492 m 处时预计揭露一条F5 正断层，断层落差为1.8 m，倾角为52°，受构造应力影响，巷道围岩出现失稳现象，围岩破碎严重，增加了巷道支护难度，同时巷道掘进效率降低至3.8 m/d，严重制约着巷道安全、快速掘进。

2 巷道原支护设计及问题分析

2.1 巷道原支护设计

1）顶锚杆支护：每排采用5 根锚杆支护，排距1 000 mm；顶锚杆规格为Φ22 mm、L=2 500 mm，托板规格为260 mm×150 mm×10 mm，顶锚杆采用两支树脂药，一支MSK23/35、另一支MSZ23/60，上部为快速、下中部为中速，锚固长度不少于0.95 m。

2）帮锚杆支护：每排采用3 根支护，排距3 000 mm、间距1 000 mm；锚杆规格为Φ20 mm、L=2 000 mm，托板规格为150 mm×150 mm×10 mm，帮锚杆采用一支MSZ23/60 树脂药锚固，锚固长度不少于0.6 m。

3）顶锚索：顶板锚索采用长度为6.3 m、直径为17.8 mm 预应力锚索，每排布置3 根，锚索布置间距为1.8 m、排距为2.0 m，锚索外露端安装长度及宽度均为0.3 m 预应力托盘。

2.2 支护问题分析

1）围岩承载能力低：5311 巷掘进的是3 号与5号合并煤层，煤层整体稳定性差，属于复合型煤层，煤层内含多层夹矸，巷道掘进过程中受构造应力影响，复合煤层稳定性差，顶板呈破碎裂隙状，岩体内无法形成连续稳定承载梁结构，而原支护中锚杆（索）主要通过锚固作用固定在顶板上，若顶板破碎严重时，锚杆（索）锚固效果差、失效率高，锚杆（索）施加的预应力无法连续稳定地传递至稳定岩体中，降低了支护效果。

2）支护扰动影响：对于受外力影响小且稳定岩体施工支护数量越多，围岩稳定性越好，但是对于应力破碎区围岩，由于应力影响后围岩出现破碎，若在该区域增加支护数量，不仅起不到有效的支护作用，反而受支护钻孔扰动影响加剧了顶板破碎力度。

3）支护强度低：原支护中虽然顶板布置了锚杆、锚索，但是锚杆（索）承载件截面小、承载强度低，在应力作用下无法与顶板实现耦合支护作用，很容易出现变形、断裂现象，降低了顶板支护强度。

3 破碎顶板支护优化

3.1 原永久支护优化

1）顶锚索支护优化：将原每排3 根单锚索替换为每排5 根，排距3.0 m；锚索直径为Φ17.8 mm 及Φ21.8 mm，L=8 300 mm、10 300 mm，托板规格为220 mm×200 mm×12 mm，顶锚索采用3 支树脂药，一支MSK23/35、另两支MSZ23/60，上部为快速、下中部为中速，锚固长度不少于1.55 m。

2）肩角锚索：每排采用2 根支护，排距3 000 mm；钢绞线规格为Φ17.8 mm、L=4 300 mm，托板采用600 mm 短节11 号工字钢，锚索采用3 支树脂药，一支MSK23/35、另两支MSZ23/60，上部为快速、下中部为中速，锚固长度不少于1.5 m。

3.2 注浆加固

3.2.1 注浆原理

通过对破碎围岩施工注浆钻孔，然后对钻孔内高压注入马丽散、聚氨酯及雷特因等化学黏接剂，由于化学注浆材料具有较强的流动性，在高压作用下化学材料能够完全渗透至岩体裂隙内，一方面，岩体注浆液完全充填裂隙后排挤出裂隙内空气，从而减少裂隙带氧化作用；另一方面，注浆液凝固后可形成具有一定黏接性、柔性的凝固体，可对破碎岩体二次重组，提高破碎围岩整体稳定性[1-2]。

3.2.2 注浆工艺

1）注浆钻孔布置在巷道迎头煤壁上，每排布置3 个钻孔，钻孔间距为2.0 m（钻孔编号为1 号、2 号、3 号），钻孔距顶板距离为1.5 m，钻孔直径为45 mm，钻孔深度为5.0 m，钻孔布置仰角为45°，其中1 号、2 号为帮孔，与巷帮夹角为30°，3 号为中部孔。

2）注浆钻孔施工完后对钻孔内安装注浆软管，注浆软管直径为30 mm，注浆软管安装后对孔口处采用膨胀水泥进行封孔，然后将注浆软管外露端分别与注浆设备连接，连接顺序为注浆软管→双向接头→压力表→控制阀→混合器→注浆泵→注浆桶，如图1 所示。

图1 注浆施工设备连接示意图

3）巷道注浆完成2 h 后方可继续掘进，巷道每掘进5.0 m 进行一次注浆施工，直至巷道完全过破碎带，若注浆后局部区域注浆不到位出现破碎、冒漏时，需增补注浆孔进行注浆加固。

3.3 柔性梯形梁吊棚施工

为了防止顶板应力增大，导致顶板锚杆（索）支护失效，决定对应力区顶板施工柔性梯形梁吊棚[3-5]。

1）柔性梯形梁吊棚主要由梯形梁、恒阻锚索等部分组成，梯形梁由5 根长度为4.5 m、直径为20 mm 圆钢焊制而成，梯形梁宽度为0.5 m，梯形梁采用4 组夹板固定，梯形梁中部及两端各焊制一块长度为0.5 m、宽度为0.3 m 钢板，钢板中部焊制一个直径为30 mm锚索支护孔，钢板布置间距为1.8 m，恒阻锚索长度为8.3 m、直径为21.8 mm。

2）梯形梁棚施工在相邻两排锚杆之间的顶板上，首先在顶板施工3 个深度为8.0 m、直径为28 mm 锚索支护孔，支护孔垂直顶板布置，支护孔布置间距为1.8 m、排距为2.0 m，如图2 所示。

图2 18104 运输顺槽应力区顶板联合支护平面示意图（单位：mm）

4 结语

截至2021 年11 月21 日18104 运输顺槽已掘进550 m，巷道已过断层应力区，围岩趋于稳定，机掘二队通过对应力区顶板采取注浆加固及梯形梁吊棚后，巷道在后期掘进过程中，顶板破碎、垮落现象得到了有效控制，复合顶板稳定性大大提高，降低了顶板下沉现象，现场实测顶板下沉量控制在0.13 m 以下，锚杆失效率降低至2%，巷道掘进速度提高至6.2 m/d，取得了显著应用成效。