应力区顶板破碎机理及支护技术

黄彦军

（潞安化工集团司马煤业有限公司，山西 长治 046000）

1 概述

潞安化工集团司马煤业有限公司1116 南运巷及附属联巷布置在井田一采区中部，巷道北部为一采区辅助轨道巷I 段，南部为3#煤实煤区，东部为1116 工作面回采区域，西部为一采区运输巷、回风巷、轨道巷。1116 南运巷从盘区辅运巷算起，设计全长1266 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.8 m×3.7 m，巷道掘进煤层为下二叠统山西组下部的3 号煤层。煤层顶底板岩性见表1。

表1 1116 南运巷3#煤层顶底板岩性表

2 巷道掘进技术难题

2.1 巷道掘进现状

1116 南运巷采用综合机械化掘进工艺，巷道内安装一台EBZ260 型掘进机进行掘进，在巷道开口处安装两台FBD 型局部通风机进行供风，巷道单茬掘进深度为1.0 m，平均掘进量为6.5 m/d，已掘进450 m。

1116 南运巷掘进至452 m 处揭露一条正断层，断层落差为1.8 m，倾角为52°，在揭露断层前10 m 处时巷道顶板出现局部破碎现象。为了快速过断层破碎区，巷道掘进至445 m 处时缩小了巷道顶板锚杆、锚索间排距，但是通过实际应用效果来看，缩小了支护间排距后未能完全控制住顶板破碎现象，当巷道掘进至447 m 处时顶板出现第一次冒漏，冒漏深度为1.8 m，宽度为3.2 m，且冒漏区附近围岩破碎严重，顶板整体下沉量达0.42 m。

2.2 巷道破碎机理

（1）顶板结构复杂。1116 南运巷掘进煤层为3#石炭系煤层，煤层整体结构复杂，煤层内含7～8层夹矸，夹矸平均厚度为0.3 m。当巷道掘进时受掘进应力以及上覆岩体重力影响，煤层在夹矸处出现离层，无法形成稳定连续的承载结构，导致顶板出现破碎现象。

（2）构造应力影响。1116 南运巷在452 m 处揭露断层，巷道掘进至440 m 处时进入断层应力区。掘进煤层受断层应力作用下，煤岩体内形成裂隙带，构造应力对裂隙岩体产生卸压破坏作用，导致围岩出现应力剪切破碎现象，破坏了围岩力学结构，降低了围岩稳定性。

（3）支护效果差。1116 南运巷原支护设计主要采用锚索（索）进行围岩支护，锚杆（索）支护时主要通过预应力传递作用，使锚固段形成连续稳定性支护梁结构，从而对顶板进行支护。但是巷道受集中应力作用，顶板围岩稳定性降低，围岩内形成“松动圈”，锚杆（索）在松动圈内锚固效果差，且预应力无法连续传送至稳定岩体内，支护组合梁结构稳定性差，起不到预期支护效果。

3 复合破碎顶板联合支护技术

为了进一步提高1116 南运巷应力区顶板整体稳定性，降低围岩变形，决定从提高应力区煤岩体单轴抗压强度、提高巷道支护作用两方面着手，分别采取施工注浆锚索、架设梯形棚联合支护措施进行围岩控制[1-5]。

3.1 注浆锚索支护技术

3.1.1 注浆锚索支护原理

在顶板施工中空注浆锚索并进行预紧，对中空锚索内填装注浆软管进行注浆施工，注浆液在高压作用下沿锚索注浆射孔进入围岩裂隙内，从而对围岩裂隙进行粘接、填充，实现破碎围岩二次重组。在注浆过程中注浆液渗透注浆孔并将锚索支护体与钻孔壁岩体进行粘接，加强锚索锚固效果，实现了注浆锚索全长锚固作用。

3.1.2 支护工艺

（1）1116 南运巷应力破碎区顶板安装的注浆锚索主要由止浆塞、刚性注浆管、柔性注浆管、辅助出浆口、主出浆口以及楔头芯杆等部分组成，如图1。注浆锚索采用直径为25 mm、长度为8.0 m 中空预应力钢绞线，锚索中部注浆孔直径为12 mm。

图1 116 南运输巷应力破碎支护断面示意图（mm）

图1 中空注浆锚索结构示意图

（2）中空注浆锚索替换原顶板单锚索，注浆锚索施工在顶板相邻两根钢带之间，每排布置3 根中空注浆锚索（钻孔编号为1#、2#、3#），间距×排距=3.0 m×1.8 m。其中1#、3#钻孔为两帮钻孔，钻孔与巷帮布置夹角为30°；3#钻孔为中部孔，垂直顶板布置，钻孔深度为8.0 m，直径为32 mm。

（3）中空注浆锚索钻孔采用MT-130 型风动锚索钻机进行施工，配套设备主要包括长度为1.2 m中空钻杆5 根、长度为1.0 m 中空钻杆2 根、直径为32 mm“八”字型合金钢钻杆若干个。

（4）钻孔施工完后安装注浆锚索，安装顺序为：填装锚固剂（共计3 根）→插入中空注浆锚索→安装搅拌套并搅拌→等待锚固剂凝固（等待时间为480 s）→安装托盘、锁具→张拉机具预紧（预紧力不得低于370 kN）。

（5）中空注浆锚索安装后对锚索内依次安装注浆管，并安装柔性聚氨酯止浆塞，将注浆管外露端与专用注浆泵连接进行注浆，注浆液采用马丽散与催化剂混合的化学材料，注浆压力为4.5 MPa。

3.2 梯形棚支护

为了进一步提高应力区顶板稳定性，注浆锚索施工后架设梯形钢棚。

（1）每架梯形钢棚主要由顶梁（梯形结构）、U29 型钢棚腿、钢板底座、圆钢连接杆以及固定卡缆等部分组成，如图2 所示。为了防止应力作用下钢棚棚腿出现变形，提高钢棚耦合支护强度，顶梁采用直径为20 mm 柔性圆钢焊制而成，顶梁规格为长×宽=4.5 m×0.5 m；顶梁端部各焊接一个棚腿固定钢板，钢板规格为长×宽=0.4 m×0.2 m，钢板上焊制四个直径为16 mm 圆孔；棚腿长度为3.5 m，棚腿顶端同样焊制一块钢板，与梯形梁上钢板规格参数一致，棚腿采用U29 型钢焊制而成。

（2）梯形棚安装顺序为：底板整平并安装钢棚底座→棚腿与底座对接安装→采用卡缆将顶梁与棚腿固定→安装圆钢拉杆。为了适应大应力顶板，减少钢棚变形，安装时棚腿与顶梁之间保持84°迎山角，如图2。

（3）梯形钢棚安装间距为1.0 m，钢棚安装后对相邻两架钢棚棚腿之间安装一组拉杆进行固定，若顶板破碎严重钢棚支护后顶梁无法接顶时，应在顶梁上方铺设道木、钢梁等进行刹顶。

4 结语

（1）与传统单锚索支护、注浆施工相比，注浆锚索支护工序简单，支护强度低，简化了支护工艺，减少了应力区顶板锚索钻孔、注浆钻孔数量，避免破碎围岩受支护钻孔扰动破坏，提高了破碎围岩支护效果。

（2）梯形棚支护时顶梁与顶板接触面积大，采用柔性顶梁受应力变形小，同时钢棚根据顶板应力大小可适当调整棚腿迎山角，适用于大应力围岩中，对应力区围岩支护效果好。

（3）1116 南运巷应力区顶板采取联合支护后，有效控制了顶板破碎、变形，顶板最大下沉量为0.14 m，应力区顶板锚杆（索）支护失效率由原来的14%降低为3%。实践证明，注浆锚索与梯形棚联合支护对应力区围岩变形控制具有显著应用成效。