软岩破碎顶板巷道掘进支护优化

章宏光

（大同煤矿集团云冈矿，山西 大同 037003）

1 概述

大同煤矿集团云冈矿311轨道巷位于311盘区西翼，西部未开采，东部为311盘区311皮带暗斜井、311轨道暗斜井、511回风暗斜井、51101巷皮回横硐，南部为12#层311盘区311皮带巷，北部为311盘区511回风巷。巷道设计长度为460m，巷道断面规格为宽×高=4.5×3.0m，掘进煤层为大同组12#煤层，平均厚度为3.0m，施工巷道沿12#层顶底板平行掘进。

311轨道巷含有伪顶，主要以砂岩、煤以及泥岩混合层为主，平均厚度为1.3m，岩石普氏系数f＜3.0，单轴抗压强度为15.7MPa；直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为4.09m，岩石普氏系数f＜3.5，单轴抗压强度为22.1MPa；基本顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为7.8m，岩石普氏系数f＜5.0，单轴抗压强度为27MPa。顶板整体稳定性差，对上覆岩层承载能力低。311轨道巷在前期开口掘进160m范围内顶板出现局部破碎现象，在87m处遇F1小断层，此处顶板出现冒落现象，冒落深度为1.2m，随着巷道延伸地应力加大，顶板破碎现象严重，威胁着巷道施工安全。

2 原支护形式及支护效果分析

2.1 原支护形式

（1）311轨道巷道原支护设计中顶板采用锚杆、M型钢带以及金属网联合支护。顶板钢带采用长度为2.0m，直径为18mm反麻花式螺纹钢锚杆，巷道每排布置5根，锚杆间排距为1.0m。

（2）顶板采用的M型钢带宽度为0.15m，长度为4.2m，厚度为0.003m，每根钢带配套5根锚杆。

（3）顶板金属网采用14#铅丝编制的棱形网，网格为50mm，金属网长度为5.2m，宽度为1.2m，相邻两卷金属网搭接宽度为0.2m。

2.2 支护效果分析

311轨道巷在前期掘进期间采用锚网支护后，顶板破碎、下沉现象未得到有效控制，支护后虽然顶板下沉速度降低，但下沉量仍在增加，顶板支护1个月后最大下沉量达0.38m，锚杆锚固效果差，抗拉拔力不足设计值的60%（设计抗拉拔力为98kN），局部区域顶板钢带出现断裂、锚杆失效现象，巷道成型率差。

3 支护设计优化

为了有效对破碎顶板进行控制，提高支护质量，必须首先确定破碎顶板松动圈影响范围，然后采取措施提高松动圈内破碎岩体胶结稳定性，并对整体松动圈岩体进行加固。

3.1 顶板破碎松动圈影响范围确定

通过施工窥视钻孔，在钻孔施工期间对钻孔产生的煤屑量多少以及钻孔施工后通过窥镜对钻孔壁成型情况观测，从而判断破碎顶板松动圈在顶板径向方向影响范围。

（1）为了全面评估311轨道巷破碎顶板松动圈影响范围，巷道每隔100m施工一组窥视钻孔，每组两个钻孔。

（2）采用ZDY型钻机配套直径为75mm双翼钻头进行钻孔施工，钻孔施工深度为10m，钻孔直径为75mm，钻孔垂直顶板布置，每组钻孔间距为1.0m。

（3）钻孔施工期间对每米钻孔产生煤屑量进行记录。通过现场观察发现，在0～3.2m范围内钻孔产生的煤屑量为4.5kg/m3，随着钻孔延伸，钻孔产生煤屑量呈递减趋势，在3.2m～5.0m范围内钻孔产生的煤屑量为3.1kg/m3，且在5.0m范围以外区域稳定。通过窥镜观察发现，0～3.0m钻孔内壁相对破碎，完整性差；在3.0～5.0m范围内钻孔内部裂隙多，局部破碎；5.0～10m范围内钻孔内壁平滑。

由此可见311轨道巷顶板0～3.5m范围内应加强维护，采用锚杆、锚索等主动支护对顶板0～5.5m范围内进行加固。

3.2 支护优化设计

研究决定对311轨道巷顶板0～5.0m范围内采用浅深孔注浆支护以及施工加长锚索梁棚支护。

3.2.1 浅深孔注浆支护

（1）注浆支护材料主要采用聚氨酯粘合剂，该粘合材料具有对破碎岩体粘结效果好、凝固时间短、裂隙渗透能力强等优点。

（2）为了提高钻孔支护效果，浅钻孔与顶板夹角为60°，浅孔深度为3.5m，钻孔直径为42mm，每排施工3个注浆孔，钻孔间距为1.5m，排距为2.0m，钻孔施工完后依次向钻孔内高压注射聚氨酯粘合剂，注浆压力1.0MPa。

（3）深孔深度为5.0m，钻孔垂直顶板布置，钻孔施工在相邻两排浅孔中部，每排施工两个深孔，间距为1.5m，排距为2.0m，深孔注浆时注浆压力不得低于2.0MPa，主要是对顶板深部裂隙进行填充。

3.2.2 加长锚索棚梁支护

（1）加长锚索棚梁支护主要由3根长度为7.0m、直径为21.6mm高强度预应力锚索，一根长度为4.2m工字钢梁，以及长度为3.2m“JW”型钢带组成；钢梁上焊制三个直径为30mm圆孔，孔间距为1.8m。

（2）首先在顶板施工3根锚索，间距为1.8m，锚索外露长度为0.3m，锚固长度为1.2m，锚索锚固力不得低于100kN，抗拉拔力不得低于170kN。

（3）第一排锚索施工完后，在其下方安装工字钢梁，并采用钢方垫及锁具进行预紧，相邻两排锚索梁棚间距为1.0m。为了提高顶板稳定性，在相邻三根锚索梁棚之间穿插4根长度为2.4m“JW”型钢带，钢带间距为1.2m，钢带钢梁垂直布置，钢带施工完后将钢梁与顶板预紧，如图1所示。

图1 311轨道巷顶板注浆+加长锚索梁棚联合支护示意图

4 应用效果

（1）采用浅孔注浆对顶板松动圈破碎岩体进行了加固，通过对注浆岩体进行单轴抗压试验发现，岩体单轴抗压强度提高至52.4MPa，提高了破碎岩体胶结稳定性及承载能力；同时采用深孔注浆有效对顶板裂隙带进行填充，提高了顶板整体稳定。

（2）加长锚索梁支护解决了锚索网支护时锚杆失效现象严重、钢带承载能力低等技术难题，对破碎顶板起到预期主动支护效果，通过后期观察发现，加长锚索梁支护施工完后未出现锚索失效、钢梁变形现象。

（3）311轨道巷采取联合支护设计后，通过对施工处顶板三个月观察发现，软岩顶板下沉得到控制，在第一个月内受顶板塑性变形影响，顶板下沉量为0.11m，在后两个月内顶板下沉量趋于稳定；顶板支护优化后在后期掘进期间未发现顶板破碎、局部冒顶现象。