超前管棚支护在应力区破碎顶板中的应用

王飞飞

（山西柳林兴无煤矿有限责任公司，山西 吕梁 033300）

1 H4201 进风顺槽概况

山西柳林兴无煤矿有限责任公司H4201 进风顺槽位于井田二采区，巷道东南部为4 号煤层42211、42212、42213 采空区，西北部为4 号煤层42105、42104、42013、42102、42101 采空区，西南部相邻4 号煤层42106 采空区，东北部相邻+760 m 水平回风大巷、+760 m 水平副大巷。

H4201 进风顺槽设计长度为654 m，巷道掘进宽度为4.5 m、高度为3.8 m，巷道开采煤层为山西组底部4 号煤层，距上部3 号煤层底板平均20 m，距下部5 号煤层顶平均6.45 m，煤层厚度为3.1～3.9 m，平均为3.65 m；该煤层偶含一层夹矸，夹矸厚度为0.20～0.80 m，煤层单一，为结构简单，层位、厚度稳定的大部分可采煤层。煤层顶板为砂质泥岩、泥岩，底板为砂岩或碳质泥岩，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 H4201 进风顺槽掘进的4 号煤层顶底板岩性

H4201 进风顺槽采用综合机械化掘进工艺，截至目前巷道已掘进240 m，巷道掘进至230 m 处揭露一条正断层，断层落差为2.2 m，倾角为57°，断层对巷道掘进影响长度为47 m，巷道在揭露断层后围岩出现严重破碎现象，主要集中顶板超前破碎严重，巷道掘进后空顶距达2.4 m，威胁着巷道安全掘进。

2 巷道原支护设计及围岩破碎机理

2.1 巷道原支护设计

H4201 进风顺槽主要采用锚杆（索）＋钢带＋金属网联合支护[1-5]，顶板锚杆采用Φ20 mm×2 400 mm普通螺纹钢锚杆，顶板锚索采用Φ17.8 mm×7 500 mm，具体布置参数如下：

1）顶板锚杆布置参数：顶板每排布置5 根锚杆，锚杆布置间排距均为1.0 m，锚杆采用端头锚固方式，锚杆锚固力为190 kN，预紧力为300 N·m，锚杆垂直顶板布置，垂直偏移误差为±3°，锚杆安装后外露长度控制在10～50 mm 范围内，锚杆外露端安装一根长度为4.2 m、宽度为0.25 mW 型钢带，并采用螺母预紧。

2）顶板锚索布置参数：顶板锚索采用“一二一”布置方式，锚索长度为7.5 m、直径为17.8 mm，锚索采用3 支锚固剂进行锚固，锚固长度为1.55 m；锚索施工完后外露长度为150～250 mm，锚索外露端安装一块长度及宽度为0.3 m 钢托板。第一排锚索布置在巷道中部，共计1 根；第二排锚索布置2 根，锚索间距为2.0 m、排距为3.0 m；第三排锚索与第一排锚索布置参数相同，依此类推。

2.2 围岩破碎机理

当巷道正常掘进未遇地质构造时原顶板采用锚杆（索）支护，满足巷道掘进需求，但是当巷道掘进过断层区时，断层区围岩受构造应力影响，围岩出现裂隙带，应力在裂隙带内进行卸压释放，造成围岩出现裂隙扩张破坏作用，围岩破碎严重，特别是工作面迎头围岩出现超前破碎现象，当巷道掘进后应力区顶板无法形成稳定连续的承载梁，巷道掘进后在永久支护前，顶板承载强度低，很容易出现顶板冒漏、煤壁垮落。

3 超前管棚支护设计

为了解决传统锚杆（索）支护在应力区主要存在的技术难题，通过研究决定对H4201 进风顺槽顶板施工超前管棚支护，支护示意图如下页图1 所示。

图1 H4201 进风顺槽超前支护施工断面示意图（单位：mm）

3.1 超前管棚支护原理

超前管棚支护是指在采掘工作面迎头施工一排超前支护孔，然后对支护孔内锚注超前支护体，支护体垂直煤壁布置形成人工假顶，支护体在围岩内形成梁效应，提高围岩承载能力，有效防止巷道掘进后围岩出现超前破碎现象，保证巷道安全、快速掘进。

3.2 超前支护体结构

H4201 进风顺槽施工超前支护体主要由高锰钢通过磨具一次性浇筑而成，超前支护体长度为3.5 m，为中空状，中部孔直径为25 mm，支护体壁厚为2.5 mm，支护体端头为削尖状，主要便于插入岩体内，削尖段长度为0.5 m；每套超前支护体外端配套夹板，每组夹板长度为0.5 m，夹板采用厚度为8 mm 钢板焊制而成，夹板上焊制两个直径为25 mm 锚杆支护孔。

3.3 施工工艺

1）巷道在掘进前首先采用手持式钻机在H4201进风顺槽顶板施工一排支护钻孔，每排布置9 个支护孔，孔间距为0.5 m，钻孔深度为3.0 m，钻孔直径为32 mm，所有钻孔垂直煤壁布置，钻孔垂直面允许偏差为±3°。

2）支护钻孔内依次插入超前支护体，支护体插入钻孔后必须保证支护体稳定牢固，支护体外露长度为0.5 m。

3）同一排支护体施工完后，每3 根超前支护体外露端安装一组夹板，夹板采用2 根长度为1.5 m、直径为20 mm 锚杆与顶板进行固定；超前支护施工完后巷道方可继续掘进，掘进期间以超前支护体为顶板，顶板锚杆（索）及钢带施工在超前支护体下方。

4）第一排超前支护施工完且巷道掘进2.5 m 后施工第二排超前支护，相邻两排超前支护交错叠加布置，两排支护体叠加距离为0.5 m。

3.4 实际应用效果分析

截至2021 年8 月19 日H4201 进风顺槽已掘进至260 m，巷道从230 m 处开始对顶板施工超前管棚支护，共计施工18 排，巷道掘进后在240～250 m 段顶板安装了一台YH-300 型顶板离层仪，并进行20 d现场观察发现，超前管棚支护施工完6 d，巷道顶板出现塑性变形，顶板仍然出现离层下沉现象，实测顶板下沉量为0.11 m，但顶板未出现断裂；在6～12 d 范围内顶板注浆稳定，超前管棚支护与应力区顶板之间产生耦合支护梁，顶板下沉现象逐渐减小；在12 d 后顶板不再变形，顶板变形量控制在0.14 m 以下。

4 结语

山西柳林兴无煤矿有限责任公司针对H4201 进风顺槽掘进过断层期间，围岩破碎严重，采用传统支护效果差等技术难题，提出了超前管棚支护，实践应用效果表明：超前管棚支护工序简单、支护成本费用低、实用性强，该支护可对围岩进行超前支护，形成超前支护梁，有效防止应力对围岩造成超前破坏作用，提高掘进区围岩稳定性，取得显著应用成效。