劉 源

（長(zhǎng)治市煤礦工程質(zhì)量監(jiān)督站， 山西 長(zhǎng)治 046000）

對(duì)于巖層強(qiáng)度較低、完整性差、自承載能力弱、節(jié)理裂隙發(fā)育的頂板巖層，一般稱(chēng)之為破碎頂板。破碎頂板若支護(hù)不當(dāng)極易發(fā)生漏垮型局部冒頂事故，雖然局部冒頂影響范圍較小，但是，破碎頂板冒漏事故發(fā)生概率較高，因此，破碎頂板冒頂事故占煤礦頂板事故的比率相對(duì)也較高[1-2]。針對(duì)破碎頂板支護(hù)，回采巷道以往多采用架設(shè)梯形棚或者拱形棚子支護(hù)，材料多采用礦工鋼和U 型鋼，隨著錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，多采用錨網(wǎng)索支護(hù)，或者是錨網(wǎng)索配合架棚支護(hù)，錨網(wǎng)索支護(hù)施工簡(jiǎn)單，且不影響工作面正常推進(jìn)，而架棚支護(hù)需要在回采過(guò)程中對(duì)棚子進(jìn)行拆卸回收，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[3-4]。因此如何既能保證巷道的有效支護(hù)，又能降低投入成本和減少對(duì)施工作業(yè)的影響是破碎頂板回采巷道支護(hù)的研究重點(diǎn)。

1 試驗(yàn)巷道概況

山西某礦1205 工作面所采煤層為山西組2 號(hào)煤層，煤層厚2.9～3.5 m，平均厚3.2 m，煤層傾角為0°～9°，平均為7.5°，可采系數(shù)為1，屬于穩(wěn)定可采中厚煤層。工作面?zhèn)雾敒榫?.2 m 的泥質(zhì)頁(yè)巖；直接頂為均厚1.8 m 的中粒砂巖-粉砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，頂板硬度f(wàn)=3.5～4.0，在工作面采掘過(guò)程中易于垮落；基本頂為均厚6.1 m 的中粒砂巖或細(xì)粒砂巖，基本頂巖層致密堅(jiān)硬，硬度f(wàn)=5.0 左右，巖層穩(wěn)定不易垮落，底板巖層為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細(xì)粒砂巖。工作面回采巷道，均沿頂?shù)装寰蜻M(jìn)，設(shè)計(jì)巷道尺寸（高×寬）3 200 mm×3 800 mm，巷道原設(shè)計(jì)支護(hù)方案為錨網(wǎng)索鋼筋托梁支護(hù)，但在掘進(jìn)過(guò)程中多次出現(xiàn)頂板冒漏事故，后來(lái)在頂板破碎地段輔加架設(shè)U 型鋼棚支護(hù)，雖大幅度降低了破碎頂板冒漏幾率，但是職工勞動(dòng)強(qiáng)度明顯增加，巷道掘進(jìn)施工速度明顯降低，也不利于后期回采作業(yè)。

2 破碎頂板冒頂機(jī)理分析

1）地質(zhì)作用。破碎頂板多存在于斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，受到地質(zhì)構(gòu)造的影響，頂板出現(xiàn)升降和節(jié)理裂隙發(fā)育，頂板巖體完整性遭到破壞，尤其是斷層的存在形成導(dǎo)水裂隙后，更是造成構(gòu)造應(yīng)力和殘余應(yīng)力改變?cè)瓗r應(yīng)力分布，致使斷層等附近頂板形成不規(guī)則塊狀，容易發(fā)生冒頂；對(duì)于褶皺形成的背斜和向斜區(qū)域內(nèi)會(huì)集聚大量的彈性能，受到采掘影響，破碎頂板會(huì)進(jìn)一步加劇，引起局部冒頂。

2）煤層賦存。煤層在形成過(guò)程中受到外力擠壓作用，促使煤體及周?chē)鷰r體出現(xiàn)薄厚不均現(xiàn)象，且頂板巖石受到擠壓后會(huì)形成節(jié)理和裂隙滑移面，造成頂板局部破碎嚴(yán)重；煤層上方距離含水層較近，水體會(huì)沿著煤層上方裂隙移動(dòng)，造成煤層上方頂板強(qiáng)度減弱，如若同時(shí)受到構(gòu)造、礦壓等作用的影響，頂板巖層完整性會(huì)大幅度降低，形成破碎頂板，在采掘過(guò)程中容易出現(xiàn)頂板冒漏現(xiàn)象。

3）支護(hù)體系。支護(hù)體系是否科學(xué)合理是對(duì)破碎頂板能否形成有效支護(hù)的重要因素。1205 工作面頂板局部破碎嚴(yán)重，煤巖體完整性和自承載能力較弱，同時(shí)受到采掘擾動(dòng)和礦山壓力作用，頂板巖體碎裂程度進(jìn)一步加劇。采用錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)會(huì)造成部分錨桿和錨索無(wú)法錨固在上方堅(jiān)固巖體內(nèi)，支護(hù)體系只是部分起作用；采用U 型鋼架棚支護(hù)，在控制初期不能夠給予圍巖以主動(dòng)有效的支護(hù)作用，造成巷道圍巖持續(xù)變形和破壞，且對(duì)于破碎頂板而言，各區(qū)域頂板承壓能力不同，架棚支護(hù)體系受力不均，容易出現(xiàn)棚子傾斜和翻到，不僅難以對(duì)破碎頂板形成有效支護(hù)，且會(huì)影響正常采掘作業(yè)。

3 新支護(hù)方案的提出和實(shí)踐

3.1 原支護(hù)方案分析

1205 工作面回采巷道原支護(hù)方式為錨網(wǎng)索鋼筋托梁支護(hù)，局部采用錨網(wǎng)索配合U29 型鋼棚子支護(hù)，具體參數(shù)為：頂錨桿采用規(guī)格Φ22 mm×2 400 mm 的強(qiáng)力錨桿，頂錨索采用規(guī)格為Φ18.9 mm×8 300 mm鋼絞繩，要求頂錨桿錨固力不低于75 kN，頂錨索預(yù)緊力不低于130 kN；幫錨桿采用規(guī)格Φ22 mm×2 400 mm的強(qiáng)力錨桿，幫錨桿錨固力要求不低于60 kN，頂錨桿和幫錨桿間排距均為850 mm×850 mm，頂錨索間排距為1 700 mm×1 700 mm；網(wǎng)片選用網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm 的金屬經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)片搭接要求不低于200 mm，搭接處采用12 號(hào)鐵絲捆扎；頂板所用鋼筋托梁規(guī)格為Φ16 mm-3 600 mm-5 mm-850 mm，兩幫鋼筋托梁規(guī)格為Φ16 mm-2 750 mm-4 mm-850 mm；局部破碎嚴(yán)重地帶除了施工錨網(wǎng)索鋼筋托梁支護(hù)外，另架設(shè)U29 型鋼拱形棚支護(hù)，棚子間距為800 mm，棚間要求采用鋼筋進(jìn)行連鎖（見(jiàn)圖1）。在該支護(hù)方式下，在掘進(jìn)期間可以有效對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，但是在施工進(jìn)行后3 個(gè)月后，巷道收斂變形嚴(yán)重，個(gè)別地段出現(xiàn)錨索和錨桿被拉出現(xiàn)象，造成支護(hù)體系失效，且架棚支護(hù)不能有效保證掘進(jìn)施工速度，且對(duì)回采影響不利。

圖1 1205 工作面回采巷道錨網(wǎng)索鋼筋托梁支護(hù)示意圖（mm）

3.2 支護(hù)方案優(yōu)化

鑒于1205 工作面回采巷道原支護(hù)方案下支護(hù)效果，分析認(rèn)為該工作面頂板破碎，部分頂錨桿和頂錨索不能夠有效錨固在上方堅(jiān)固巖體內(nèi)，造成巷道在采掘影響和礦山壓力作用下支護(hù)體系不能夠有效發(fā)揮應(yīng)有作用，出現(xiàn)錨桿和錨索被拉出失效的現(xiàn)象，同時(shí)，考慮到拱形棚子的弊端，決定更改支護(hù)方式，即對(duì)破碎頂板進(jìn)行注漿加固，然后采用錨網(wǎng)索鋼筋托梁進(jìn)行支護(hù)，錨網(wǎng)索鋼筋托梁支護(hù)參數(shù)與原支護(hù)參數(shù)相同。

當(dāng)前，煤礦頂板注漿加固所用的材料主要有固安特、馬麗散等有機(jī)材料和水泥等無(wú)機(jī)材料，經(jīng)過(guò)成本、操作、效果等多方面對(duì)比，最終決定選用水泥-水玻璃漿液對(duì)破碎頂板進(jìn)行加固，提高頂板巖體的強(qiáng)度和完整性。通過(guò)頂板鉆孔窺視結(jié)果可知，工作面頂板裂隙發(fā)育一般在工作面上方3～7 m，故注漿孔采用深孔和淺孔交錯(cuò)布置，深孔規(guī)格為Φ42 mm×2 200 mm，淺孔規(guī)格為Φ32 mm×8 100 mm，深孔和淺孔間排距分別為1 700 mm×1 700 mm 和850 mm×850 mm。注漿壓力要求不低于2.5 MPa，封孔長(zhǎng)度要求不低于0.5 m，以注不進(jìn)去漿液為結(jié)束注漿時(shí)間。

3.3 支護(hù)效果分析

通過(guò)實(shí)施對(duì)1205 工作面回采巷道破碎頂板進(jìn)行預(yù)先加固后再實(shí)施錨網(wǎng)索鋼筋托梁支護(hù)，工作面回采巷道支護(hù)效果得到了明顯改善，在掘進(jìn)期間巷道兩幫變形量累計(jì)為450 mm，頂板下沉量累計(jì)為105 mm，均在支護(hù)效果預(yù)期范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)頂板施工鉆孔窺視可知，通過(guò)注漿加固，上方7 m 范圍內(nèi)孔壁基本完整，說(shuō)明注漿后頂板裂隙大幅度減少，說(shuō)明通過(guò)注漿能夠有效提高頂板巖體的強(qiáng)度和完整性。在采掘期間，未出現(xiàn)頂板冒漏現(xiàn)象，取代了以往的U型鋼架棚補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，由利于提高巷道掘進(jìn)施工速度，且頂板注漿加固后，回采期間的安全作業(yè)環(huán)境也得到了大幅度提升。

4 結(jié)語(yǔ)

破碎頂板具有巖體強(qiáng)度低、完整性差、節(jié)理裂隙發(fā)育高、自承載能力弱等特點(diǎn)，選擇合理的破碎頂板支護(hù)方式是確保工作面回采巷道采掘作業(yè)安全進(jìn)行的重要基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)破碎頂板注漿預(yù)先加固，可有效提高其強(qiáng)度和完整性，而后采用錨網(wǎng)索鋼筋托梁可充分的利用錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)作用，對(duì)于保證巷道的穩(wěn)定性和采掘作業(yè)的安全性具有重要的意義。