許 起

（長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101）

斷層是采掘施工過(guò)程中常見(jiàn)地質(zhì)構(gòu)造之一。斷層會(huì)造成原來(lái)連續(xù)、 穩(wěn)定的煤巖體在斷層處出現(xiàn)空間錯(cuò)位[1-5]，破壞了原煤巖層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，斷層兩側(cè)煤巖體出現(xiàn)應(yīng)力破壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為裂隙增加、破碎等[6]。 掘進(jìn)巷道在過(guò)斷層期間主要采用錨桿（索）進(jìn)行支護(hù)，而斷層應(yīng)力區(qū)煤巖體內(nèi)形成圍巖松動(dòng)圈，錨桿（索）在支護(hù)時(shí)錨固效果差，在進(jìn)行錨桿（索）預(yù)緊時(shí)，預(yù)緊力無(wú)法有效傳遞至穩(wěn)定圍巖內(nèi)[7]，造成錨桿（索）失效率高，達(dá)不到預(yù)期支護(hù)效果。 以長(zhǎng)春興602 回風(fēng)順槽為研究對(duì)象，根據(jù)巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀，對(duì)巷道過(guò)斷層期間提出了超前管棚注漿支護(hù)，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

2 工程概況

長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司602 回風(fēng)順槽位于井田南部，巷道東西走向布置，巷道東部為南盤(pán)區(qū)大巷，西部為井田邊界，南部為601 工作面采空區(qū)，北部為602 工作面。

602 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 682 m，斷面規(guī)格寬×高為4.5 m×3.6 m，掘進(jìn)煤層為22#層，煤層平均厚度為9.5 m，平均傾角為2°，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 602 回風(fēng)順槽掘進(jìn)煤層頂?shù)装鍘r性

602 回風(fēng)順槽采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至2021年2月15日巷道已掘進(jìn)420 m。巷道掘進(jìn)期間圍巖主要采用錨桿、錨索以及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿每排布置5 根，布置間排距為1.0 m，錨桿長(zhǎng)度為2.0 m；頂板每掘進(jìn)3.0 m 布置一排錨索，共計(jì)3 根，錨索布置間距為1.8 m，錨索長(zhǎng)度為6.3 m。

3 巷道前期掘進(jìn)問(wèn)題分析

3.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

602 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至411 m 處揭露一條F176斷層，斷層落差為1.8 m，傾角為52°，斷層對(duì)巷道掘進(jìn)影響長(zhǎng)度為76 m。巷道掘進(jìn)至408 m 處時(shí)受該斷層影響，巷道頂板及兩幫圍巖出現(xiàn)破碎以及收縮現(xiàn)象，當(dāng)巷道掘進(jìn)至415 m 處時(shí)頂板中部出現(xiàn)嚴(yán)重下沉，下沉量為0.47 m；同時(shí)由于受應(yīng)力作用，巷道迎頭煤巖體超前破壞嚴(yán)重，頂板承載強(qiáng)度低，巷道掘進(jìn)后在施工永久支護(hù)時(shí)迎頭煤體出現(xiàn)垮落、導(dǎo)致原錨桿（索）支護(hù)難度大、支護(hù)效果差。

3.2 頂板加強(qiáng)支護(hù)措施

為了提高602 回風(fēng)順槽在過(guò)F176 斷層應(yīng)力區(qū)時(shí)圍巖穩(wěn)定性，防止頂板垮落事故發(fā)生，初期對(duì)應(yīng)力區(qū)頂板主要采取錨索吊棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

602 回風(fēng)順槽從405 m 處對(duì)頂板施工錨索吊棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，每架吊棚主要由一根長(zhǎng)度為4.2 m工字鋼梁以及三根長(zhǎng)度為6.3 m，直徑為17.8 mm錨索組成，吊棚施工在相鄰兩根鋼帶間隙處頂板上，吊棚施工排距為2.0 m。

錨索吊棚施工完后前3 d 內(nèi)錨索吊棚變形量相對(duì)較小，在3～7 d 范圍內(nèi)吊棚出現(xiàn)中部變形現(xiàn)象，在7 d 后局部吊棚中部出現(xiàn)撕裂，且吊棚附近圍巖出現(xiàn)裂隙破碎圈，頂板破碎更加嚴(yán)重。

3.3 問(wèn)題分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)錨索吊棚支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，該支護(hù)在應(yīng)力區(qū)主要存在以下幾方面問(wèn)題：

（1）支護(hù)截面積?。哄^索吊棚采用的工字鋼梁寬度為0.11 m，在支護(hù)時(shí)鋼梁對(duì)頂板支護(hù)有效橫截面寬度不足0.11 m，相對(duì)傳統(tǒng)W型鋼帶支護(hù)相比，支護(hù)截面積相對(duì)較小，無(wú)法對(duì)面積破碎頂板起到有效支護(hù)作用。

（2）支護(hù)變形率高：錨索吊棚在支護(hù)時(shí)通過(guò)鎖具對(duì)鋼梁腰部進(jìn)行預(yù)緊實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)支護(hù)作用，而工字鋼梁腰部厚度為40 mm，承載強(qiáng)度不足240 kN/m2，在應(yīng)力區(qū)支護(hù)時(shí)當(dāng)圍巖出現(xiàn)蠕動(dòng)變形造成鋼梁受力加大，鋼梁腰部很容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

（3）切頂破壞嚴(yán)重：傳統(tǒng)錨索吊棚屬于線性主動(dòng)支護(hù)，在支護(hù)過(guò)程中鋼梁對(duì)頂板承載區(qū)主要集中在鋼梁兩側(cè)，而鋼梁兩側(cè)寬度小，成線性結(jié)構(gòu)，在對(duì)頂板支護(hù)過(guò)程中鋼梁兩側(cè)對(duì)頂板產(chǎn)生線性切頂破壞作用[8]，從而加劇了頂板破碎。

（4）無(wú)法實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)：通過(guò)對(duì)602 回風(fēng)順槽現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，頂板超前破碎是造成圍巖失穩(wěn)主要原因，而錨索吊棚屬于滯后加強(qiáng)支護(hù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)力區(qū)超前支護(hù)。

4 超前管棚注漿支護(hù)應(yīng)用

為了解決錨索吊棚支護(hù)主要存在的技術(shù)難題，通過(guò)研究決定對(duì)602 回風(fēng)順槽過(guò)斷層應(yīng)力區(qū)頂板采用超前管棚注漿支護(hù)。

4.1 支護(hù)原理

通過(guò)對(duì)工作面迎頭煤巖體施工一排超前支護(hù)體（如超前錨桿、管棚等），煤巖體在支護(hù)體支撐下形成超前組合梁結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)力超前區(qū)形成人工頂板，提高原巖頂板承載能力[9]，控制頂板超前破碎；同時(shí)對(duì)超前管棚進(jìn)行注漿，對(duì)超前區(qū)頂板裂隙進(jìn)行有效的填充，提高了超前頂板膠結(jié)穩(wěn)定性[10]，實(shí)現(xiàn)了超前支護(hù)，簡(jiǎn)化了應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)工序，提高了支護(hù)效果。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

602 回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)頂板采用的超前管棚注漿支護(hù)，每根超前管棚支護(hù)體由兩根長(zhǎng)度為2.0 m，直徑為40 mm 中空無(wú)縫鋼管連接而成，下部鋼管底端為銷尖狀，銷尖段長(zhǎng)度為0.5 m，從而便于更加牢固地插入圍巖內(nèi)，下部鋼管周圍焊制三排注漿射孔，孔直徑為8 mm，孔間距為0.4 m，每排5 個(gè)；兩根無(wú)縫鋼管采用絲扣連接，連接長(zhǎng)度為0.2 m，如圖1 所示。

圖1 602 回風(fēng)順槽超前管棚注漿支護(hù)施工

4.3 支護(hù)工藝

（1）巷道掘進(jìn)至420 m 處對(duì)頂板施工第一排超前管棚注漿支護(hù)，首先采用手持式鉆機(jī)對(duì)巷道頂板處施工一排水平鉆孔，鉆孔深度為3.8 m，鉆孔直徑為42 mm，每排布置13 個(gè)鉆孔（鉆孔編號(hào)為1#、2#...13#），孔間距為0.3 m。 為了防止鉆孔在施工過(guò)程中出現(xiàn)鉆孔空位侵限現(xiàn)象，鉆孔以3°仰角布置。

（2）支護(hù)鉆孔安裝后對(duì)鉆孔依次安裝超前管棚支護(hù)體，并對(duì)2#、7#、12#支護(hù)體內(nèi)安裝注漿軟管，軟管直徑為20 mm，埋入超前支護(hù)體內(nèi)長(zhǎng)度為2.2 m，并在孔口處安裝止?jié){塞進(jìn)行封堵。

（3）將注漿軟管與注漿泵連接依次進(jìn)行注漿施工，注漿液采用水泥灰注漿材料，其中水泥與水配比為0.5:1，為了提高漿液凝固后具有更好的結(jié)石率，在水泥漿液中添加8%的ACZ-1 改性添加劑。

（4）注漿施工完成后巷道方可繼續(xù)掘進(jìn)，掘進(jìn)過(guò)程中頂板錨桿（索）、鋼帶施工在超前支護(hù)體下方，巷道掘進(jìn)3.0 m 后施工第二排超前支護(hù)體，相鄰兩排支護(hù)體交錯(cuò)穿插布置，如圖1 所示。

4.4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

截至2021年3月7日602 回風(fēng)順槽已掘進(jìn)至519 m，巷道已完全過(guò)F176 斷層應(yīng)力區(qū)。該巷道對(duì)應(yīng)力區(qū)采取了超前管棚注漿支護(hù)后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支護(hù)體完全處于巖體內(nèi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面迎頭前方頂板超前支護(hù)作用，在后期掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生頂板破碎現(xiàn)象，掘進(jìn)后頂板空頂距在0.5 m 以下；當(dāng)支護(hù)體完全揭露后，通過(guò)注漿作用將支護(hù)體與頂板巖體完全鑲嵌為一體，提高了頂板承載強(qiáng)度以及韌性，控制了頂板下沉、 斷裂現(xiàn)象，頂板下沉量控制在0.18 m 以下，兩幫收縮量控制在0.20 m 以下。

5 結(jié)論

1）超前管棚支護(hù)對(duì)巷道迎頭煤體起到了有效的超前支護(hù)作用，通過(guò)管棚支護(hù)梁效應(yīng)作用提高了頂板承載能力，降低了應(yīng)力對(duì)頂板破壞作用，避免了巷道掘進(jìn)后永久支護(hù)施工時(shí)，因頂板支護(hù)不及時(shí)造成頂板破碎冒落、迎頭煤壁垮落等現(xiàn)象。

2）超前管棚支護(hù)與注漿技術(shù)，在對(duì)圍巖超前支護(hù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)深部圍巖裂隙超前注漿填充加固，提高了應(yīng)力區(qū)裂隙巖體整體力學(xué)性能，控制了巖體超前破碎現(xiàn)象，達(dá)到了穩(wěn)定巷道圍巖的目的。