孫 凱

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)亨元煤礦，山西 晉中 045400)

在巷道掘進(jìn)中，多斷層帶頂板因受到強(qiáng)度低、孔隙率大、膠結(jié)程度不理想等因素的影響而出現(xiàn)不同程度的破碎問題，使得巖層出現(xiàn)離層、漏頂?shù)那闆r，威脅頂板安全。而采用傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)方式，則由于巖層堅(jiān)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(hù)結(jié)構(gòu)與巖體脫離。為此，在實(shí)際施工作業(yè)中，有必要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況科學(xué)規(guī)劃支護(hù)處理措施和方案，維護(hù)巷道掘進(jìn)作業(yè)的安全性，提高掘進(jìn)效率。注漿柔性梯形梁支護(hù)可有效解決上述問題，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[1]。

1 工程概況

以某煤礦企業(yè)近段時(shí)間開展的巷道掘進(jìn)工程為例，選取五盤區(qū)第二回風(fēng)巷的沿煤層頂板作為主要研究對(duì)象。該區(qū)域東西兩個(gè)方位均有保護(hù)煤柱，北部為實(shí)體煤。南部為輔運(yùn)巷，正處于建設(shè)過程中。該巷道的場(chǎng)地在2 573 m左右，巷道內(nèi)的斷面規(guī)格為：寬5.2 m，長(zhǎng)5.7 m，整個(gè)巷道掘進(jìn)的煤層定義為3#煤層，厚度約在5.48 m左右。

通過實(shí)地勘察可知，巷道內(nèi)的巖層多以粗砂巖為主，厚度約在11.5 m左右。第二回風(fēng)巷在掘進(jìn)施工中采用了機(jī)械掘進(jìn)處理方式，根據(jù)對(duì)地質(zhì)勘察資料的了解和分析可知，本巷道中，在450 m～570 m距離內(nèi)一共發(fā)現(xiàn)了6條逆斷層，平均落差在0.8 m以內(nèi)，傾斜角度為42°。受到這些斷層的影響，在巷道掘進(jìn)的440 m位置上，頂板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了破損問題，在掘進(jìn)446 m處時(shí)，巷道出現(xiàn)了明顯的冒落現(xiàn)象，冒落高度約在0.7 m左右。參照目前巷道掘進(jìn)具體情況，如果仍然采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式，則難以保障巷道掘進(jìn)的安全性。

2 原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)主要存在的問題

2.1 支護(hù)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)

第二回風(fēng)巷道是沿著3#煤層頂板開展掘進(jìn)作業(yè)的，在掘進(jìn)施工中，巷道直接頂?shù)暮穸缺豢刂圃?.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(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求，這使得巷道掘進(jìn)中，多斷層群容易受到應(yīng)力作用的影響，將直接頂和基本頂隔離，出現(xiàn)離層問題，頂板破碎，影響掘進(jìn)的安全性和穩(wěn)定性。而原支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板采用的是BHRB500型錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，錨桿采用端頭錨固方式，錨固長(zhǎng)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(xiàn)離層下沉問題后，錨桿錨固一側(cè)的巖體會(huì)出現(xiàn)破碎情況，直接破壞錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)坍塌或脫落問題。

2.2 支護(hù)耦合效果不佳

在解決巷道頂板破碎問題時(shí)，使用的錨桿、錨索支護(hù)方式，是為利用錨桿加強(qiáng)懸吊效果，從而對(duì)不穩(wěn)定巖體加以維護(hù)和穩(wěn)定，之后再利用錨桿組合梁的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)不穩(wěn)定巖體的進(jìn)一步加固處理，讓錨桿與圍堰結(jié)構(gòu)間形成耦合作用，以此增強(qiáng)頂板的承載能力。但是由于破碎頂板力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，頂板自身整體連續(xù)穩(wěn)定性下降，錨桿支護(hù)后懸吊支護(hù)作用降低，錨桿與圍巖無法形成耦合支護(hù)作用。

2.3 讓壓效果不理想

在原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中，選用的錨桿型號(hào)為BHRB500，其性能指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度180 MPa，延伸率在2%以下，剛性較強(qiáng)，但在垂直應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)，會(huì)在應(yīng)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(jìn)施工的危險(xiǎn)系數(shù)。

2.4 抗擾動(dòng)能力不高

原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中，每排設(shè)置的錨桿數(shù)量為6，錨索數(shù)量是其一半，錨桿排距控制在1 m以內(nèi)，錨索排距是錨桿的三倍以上。這樣設(shè)計(jì)雖然完全符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求，但對(duì)于存在破損問題的頂板結(jié)構(gòu)來說，錨桿和錨索數(shù)量的增多，會(huì)在鉆孔作業(yè)中，出現(xiàn)較多的擾動(dòng)因素，從而對(duì)巖體結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重破壞，不僅無法發(fā)揮支護(hù)效果，還會(huì)增加破損的概率。

3 應(yīng)力破碎頂板聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 注漿支護(hù)設(shè)計(jì)

一是注漿材料的科學(xué)選擇。在巷道注漿支護(hù)處理中，可使用的注漿材料分為非化學(xué)注漿材料和化學(xué)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(jié)處理時(shí)間長(zhǎng)，不適用于圍堰高裂隙帶的支護(hù)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(xué)注漿材料來說，黏結(jié)時(shí)間大大縮短，可加快施工速度，但相對(duì)的成本費(fèi)用較高。五盤區(qū)第二回風(fēng)巷過斷層群帶時(shí)，頂板破碎相對(duì)嚴(yán)重，為提高圍巖穩(wěn)定性，加快巷道掘進(jìn)速度，決定采用聚氨酯化學(xué)注漿材料[2]。

二是超前預(yù)注法。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況分析，在實(shí)施破碎頂板支護(hù)處理時(shí)，直接采用超前預(yù)注法，如圖1所示。在第二回風(fēng)巷掘進(jìn)的446 m位置上，實(shí)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(nèi)，每排施工3個(gè)鉆孔，鉆孔間距為1.8 m。

圖1 超前預(yù)注法

三是注漿原則。本項(xiàng)目在注漿作業(yè)開展中應(yīng)堅(jiān)持由中向外擴(kuò)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(duì)孔洞實(shí)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(nèi)，保證注漿液完全滲透在頂板巖體內(nèi)。注漿完成2 h后巷道方可繼續(xù)掘進(jìn)。

圖2 巷道注漿

3.2 永久支護(hù)設(shè)計(jì)

首先將原頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)中使用的左旋無縱筋螺紋錨桿繼續(xù)實(shí)施加長(zhǎng)處理，錨桿長(zhǎng)度增加到3.5 m，在外露一端安裝長(zhǎng)度約0.3 m左右的彈簧。其次，將每排錨桿數(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)。

3.3 柔性梯形梁支護(hù)設(shè)計(jì)

柔性梯形梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是為了解決斷層群區(qū)域內(nèi)頂板存在的變形問題，加強(qiáng)頂板結(jié)構(gòu)與支護(hù)體結(jié)構(gòu)之間的耦合效果[4]。在實(shí)際作業(yè)中，首先科學(xué)規(guī)劃柔性梯形梁結(jié)構(gòu)體系，合理規(guī)劃和控制圓鋼、夾板、JW型鋼帶、高預(yù)應(yīng)力錨索、圓鋼托架等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。本項(xiàng)目中柔性梯形梁的長(zhǎng)度和寬度分別為4.8 m和0.5 m。

其次，結(jié)構(gòu)中圓鋼數(shù)量為6，長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)，夾板數(shù)量為4，間距控制在1.5 m。梯形梁采用3根長(zhǎng)度為7.0 m、直徑為21.6 mm高預(yù)應(yīng)力錨索及3根長(zhǎng)度為0.5 m“JW”型鋼帶實(shí)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(zhǎng)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(jīng)驗(yàn)總結(jié)

注漿支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)的黏結(jié)效果，加大承載能力和抗壓強(qiáng)度，維護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，合理控制因垂直應(yīng)力變化帶來的各類風(fēng)險(xiǎn)[5]。永久支護(hù)設(shè)計(jì)一方面對(duì)原有的錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行提升，改善錨桿結(jié)構(gòu)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(xiàn)，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(shí)錨桿出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，增強(qiáng)錨桿耦合支護(hù)作用。柔性梯形梁支護(hù)可加大支護(hù)面積和強(qiáng)度，在頂板變形出現(xiàn)后，充分發(fā)揮柔性支護(hù)效果，控制撕裂、折斷問題的發(fā)生，有效緩解破碎現(xiàn)象。通過上述方式的應(yīng)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(jìn)的效率和與安全性。

5 結(jié)語

綜上所述，在日后作業(yè)中，合理應(yīng)用該技術(shù)提高巷道穩(wěn)定性、安全性，防止巷道掘進(jìn)時(shí)危險(xiǎn)事故的發(fā)生，進(jìn)而為我國(guó)礦產(chǎn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及人員生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障。