孫 凱

(晉能控股煤業(yè)集團亨元煤礦，山西 晉中 045400)

在巷道掘進中，多斷層帶頂板因受到強度低、孔隙率大、膠結程度不理想等因素的影響而出現不同程度的破碎問題，使得巖層出現離層、漏頂的情況，威脅頂板安全。而采用傳統(tǒng)的錨桿支護方式，則由于巖層堅硬度，錨桿無法有效貫穿巖層，懸吊效果不佳，又由于頂板巖層凹凸不平，容易使錨桿支護結構與巖體脫離。為此，在實際施工作業(yè)中，有必要根據現場實際情況科學規(guī)劃支護處理措施和方案，維護巷道掘進作業(yè)的安全性，提高掘進效率。注漿柔性梯形梁支護可有效解決上述問題，保障結構穩(wěn)定性[1]。

1 工程概況

以某煤礦企業(yè)近段時間開展的巷道掘進工程為例，選取五盤區(qū)第二回風巷的沿煤層頂板作為主要研究對象。該區(qū)域東西兩個方位均有保護煤柱，北部為實體煤。南部為輔運巷，正處于建設過程中。該巷道的場地在2 573 m左右，巷道內的斷面規(guī)格為：寬5.2 m，長5.7 m，整個巷道掘進的煤層定義為3#煤層，厚度約在5.48 m左右。

通過實地勘察可知，巷道內的巖層多以粗砂巖為主，厚度約在11.5 m左右。第二回風巷在掘進施工中采用了機械掘進處理方式，根據對地質勘察資料的了解和分析可知，本巷道中，在450 m～570 m距離內一共發(fā)現了6條逆斷層，平均落差在0.8 m以內，傾斜角度為42°。受到這些斷層的影響，在巷道掘進的440 m位置上，頂板結構出現了破損問題，在掘進446 m處時，巷道出現了明顯的冒落現象，冒落高度約在0.7 m左右。參照目前巷道掘進具體情況，如果仍然采用傳統(tǒng)的支護方式，則難以保障巷道掘進的安全性。

2 原頂板支護設計主要存在的問題

2.1 支護強度不達標

第二回風巷道是沿著3#煤層頂板開展掘進作業(yè)的，在掘進施工中，巷道直接頂的厚度被控制在2.7 m左右，直接頂位置上巖體的單軸抗壓能力在2.5 MPa左右，低于標準參數要求，這使得巷道掘進中，多斷層群容易受到應力作用的影響，將直接頂和基本頂隔離，出現離層問題，頂板破碎，影響掘進的安全性和穩(wěn)定性。而原支護設計中頂板采用的是BHRB500型錨桿，錨桿長度為2.5 m，錨桿采用端頭錨固方式，錨固長度為0.8 m，錨桿錨固端位于直接頂與基本頂之間。但利用該方法處理后，在直接頂出現離層下沉問題后，錨桿錨固一側的巖體會出現破碎情況，直接破壞錨固支護結構，出現坍塌或脫落問題。

2.2 支護耦合效果不佳

在解決巷道頂板破碎問題時，使用的錨桿、錨索支護方式，是為利用錨桿加強懸吊效果，從而對不穩(wěn)定巖體加以維護和穩(wěn)定，之后再利用錨桿組合梁的作用，實現對不穩(wěn)定巖體的進一步加固處理，讓錨桿與圍堰結構間形成耦合作用，以此增強頂板的承載能力。但是由于破碎頂板力學性質發(fā)生改變，頂板自身整體連續(xù)穩(wěn)定性下降，錨桿支護后懸吊支護作用降低，錨桿與圍巖無法形成耦合支護作用。

2.3 讓壓效果不理想

在原頂板支護設計中，選用的錨桿型號為BHRB500，其性能指標為：抗壓強度180 MPa，延伸率在2%以下，剛性較強，但在垂直應力作用下，錨桿自身的讓壓效果并不理想，這樣組合形成的支護結構，會在應力剪切作用下，存在不規(guī)則變形或折斷問題，增加巷道掘進施工的危險系數。

2.4 抗擾動能力不高

原頂板支護設計中，每排設置的錨桿數量為6，錨索數量是其一半，錨桿排距控制在1 m以內，錨索排距是錨桿的三倍以上。這樣設計雖然完全符合規(guī)定標準要求，但對于存在破損問題的頂板結構來說，錨桿和錨索數量的增多，會在鉆孔作業(yè)中，出現較多的擾動因素，從而對巖體結構帶來嚴重破壞，不僅無法發(fā)揮支護效果，還會增加破損的概率。

3 應力破碎頂板聯合支護設計

3.1 注漿支護設計

一是注漿材料的科學選擇。在巷道注漿支護處理中，可使用的注漿材料分為非化學注漿材料和化學注漿材料。前者的適用范圍及材料來源較廣，成本低廉，可保障施工效益，但滲透能力較差，黏結處理時間長，不適用于圍堰高裂隙帶的支護施工。后者以脲醛樹脂、聚氨酯、丙烯酰胺等高滲透能力的材料為主，相比非化學注漿材料來說，黏結時間大大縮短，可加快施工速度，但相對的成本費用較高。五盤區(qū)第二回風巷過斷層群帶時，頂板破碎相對嚴重，為提高圍巖穩(wěn)定性，加快巷道掘進速度，決定采用聚氨酯化學注漿材料[2]。

二是超前預注法。根據本項目實際情況分析，在實施破碎頂板支護處理時，直接采用超前預注法，如圖1所示。在第二回風巷掘進的446 m位置上，實施超前注漿鉆孔作業(yè)。鉆孔距頂板高度為1.0 m，鉆孔仰角為60°，鉆孔深度為5 m，鉆孔終孔位置必須位于基本頂內，每排施工3個鉆孔，鉆孔間距為1.8 m。

圖1 超前預注法

三是注漿原則。本項目在注漿作業(yè)開展中應堅持由中向外擴散、由高壓到低壓的注漿原則，如圖2所示。將注漿壓力控制在1.5 MPa左右。注漿前先對孔洞實施清理和封孔處理[3]。封孔端位于鉆孔口往里1.2 m范圍內，保證注漿液完全滲透在頂板巖體內。注漿完成2 h后巷道方可繼續(xù)掘進。

圖2 巷道注漿

3.2 永久支護設計

首先將原頂板支護結構中使用的左旋無縱筋螺紋錨桿繼續(xù)實施加長處理，錨桿長度增加到3.5 m，在外露一端安裝長度約0.3 m左右的彈簧。其次，將每排錨桿數量從原有的6根縮減到5根，錨桿間距控制在1.3 m左右，排距增加到1.2 m，直接取消原有的錨索支護結構。

3.3 柔性梯形梁支護設計

柔性梯形梁支護結構的設計主要是為了解決斷層群區(qū)域內頂板存在的變形問題，加強頂板結構與支護體結構之間的耦合效果[4]。在實際作業(yè)中，首先科學規(guī)劃柔性梯形梁結構體系，合理規(guī)劃和控制圓鋼、夾板、JW型鋼帶、高預應力錨索、圓鋼托架等結構構件。本項目中柔性梯形梁的長度和寬度分別為4.8 m和0.5 m。

其次，結構中圓鋼數量為6，長度在4.8 m左右，直徑為16 mm。圓鋼在固定中直接利用夾板實現，夾板數量為4，間距控制在1.5 m。梯形梁采用3根長度為7.0 m、直徑為21.6 mm高預應力錨索及3根長度為0.5 m“JW”型鋼帶實施固定，錨索布置間距為1.5 m。

最后，相鄰錨桿的排距在1.2 m，梯形梁之間利用1.4 m長的的兩根圓鋼加以支撐，圓鋼間距3 m，直徑為20 mm。

4 效果及經驗總結

注漿支護方式可使破碎及裂隙頂板區(qū)域巖體得到很好的填充，提升頂板與支護結構的黏結效果，加大承載能力和抗壓強度，維護結構的穩(wěn)定性和安全性，合理控制因垂直應力變化帶來的各類風險[5]。永久支護設計一方面對原有的錨桿支護結構性能進行提升，改善錨桿結構性能，控制失效率，另一方面也可抑制變形、下沉等問題的出現，規(guī)避傳統(tǒng)錨桿鋼性大、延展性低的情況，防止頂板變形時錨桿出現剪切破壞現象，增強錨桿耦合支護作用。柔性梯形梁支護可加大支護面積和強度，在頂板變形出現后，充分發(fā)揮柔性支護效果，控制撕裂、折斷問題的發(fā)生，有效緩解破碎現象。通過上述方式的應用，可有效解決該區(qū)域頂板破碎及冒落問題，保障巷道掘進的效率和與安全性。

5 結語

綜上所述，在日后作業(yè)中，合理應用該技術提高巷道穩(wěn)定性、安全性，防止巷道掘進時危險事故的發(fā)生，進而為我國礦產企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及人員生命財產安全提供保障。