复杂条件下软岩煤层支护工艺研究

王 亮

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 吕梁 033100）

1 概况

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿2112巷位于井田830水平南翼，东与830南翼皮带巷相通，西至井田边界，南为实体煤，北与9-109回采面相邻（正在回采）。

2112 巷设计长度1157m，巷道断面规格宽×高=4.8×3.0m，施工巷道从830南翼皮带巷沿9#煤层顶板开口施工，掘进煤层平均厚度3.0m。煤层直接顶主要以炭质泥岩及煤层混合岩层为主，平均厚度为3.7m，岩体单轴抗压强度35MPa，成层状结构，易破碎；基本顶主要以粉砂岩为主，平均厚度为9.7m，岩体单轴抗压强度74MPa，岩体硬度大。施工巷道采用综合机械化掘进施工工艺，已经掘进440m。

2112 巷施工前通过三维地震探测发现，位于巷道前方460m处存在一条落差为2.4m、倾角为57°的断层。施工巷道掘进至435m处时顶板开始出现局部破碎现象，预计破碎区长度为64m，应力影响范围内巷道顶板出现破碎现象，支护失效现象严重。在顶板应力破碎区内巷道掘进速度仅为3.4m/d，严重制约了巷道安全高效掘进。

2 2112巷前期支护方案及支护技术难题

2.1 2112巷前期顶板支护方案

2112 巷初步支护设计顶板采用锚杆、锚索、钢带联合支护。顶板采用22mm左旋螺纹高强锚杆，长度2.0m，顶板每排布置5根，间距为1.1m，排距为1.0m；顶板钢带长度为4.8m，每根钢带配套5根锚杆；顶板锚索直径为17.8mm，长度为4.0m。

2.2 原支护主要存在的问题

（1）锚杆支护效果差。由于2112巷直接顶厚度为3.7m，不稳定，在F5断层应力作用下，直接顶易破碎且向深部延伸，而原顶板支护设计中锚杆长度为2.0m，锚固端位于直接顶破碎岩体内，不仅支护效果差，而且当直接顶出现破碎、离层时，无法起到预期锚杆悬吊作用。

（2）锚索锚固质量差。原支护设计中锚索长度为4.0m，锚索锚固端位于直接顶与基本顶交界面处，在应力作用下，直接顶与基本顶之间很容易出现离层现象，导致锚索锚固失效现象严重。

（3）顶板不稳定。在构造应力作用下，2112巷顶板出现破碎现象，且破碎范围逐渐扩大，应力破坏了顶板原岩稳定性，降低顶板岩体承载能力，造成顶板支护后为点性支护，无法起到组合梁作用。

（4）钢带承载能力低。原顶板支护设计中钢带采用宽度为0.15m、厚度为3.5mm“M”型钢带。该钢带支护断面小、承载能力低，在应力作用下，钢带易出现断裂失效现象，降低了钢带对顶板支护效果。

3 2112顶板支护优化设计

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿通过技术研究，决定对2112巷破碎顶板采取“超前注浆+超前撞楔支护+工字钢棚”等联合支护措施。

3.1 超前注浆支护施工

（1）2112巷掘进至440m处时，对工作面顶板进行超前注浆支护，采用“一字型”单排注浆钻孔布置方式，如图1所示。每排布置4个注浆孔，孔间距为1.2m，钻孔直径为42mm，钻孔与顶板仰角为60°，钻孔布置在距离顶板0.5m处。其中，位于两帮钻孔与巷帮夹角为30°，钻孔终孔位置位于基本顶内，相邻两排注浆钻孔排距为3.0m。

（2）钻孔施工完后依次对钻孔内埋入直径为22mm注浆钢管，在注浆口0.5m范围内采用型号为ZF-A22封孔器进行封孔。钢管外露端安装球形流量控制阀，在流量控制阀另一端安装注浆软管并与型号为DBETX-1X/180G24-8NZ4M风动注浆泵连接。注浆液采用马丽散与催化剂混合液，配比为1:1。

（3）注浆施工时应按照“先低压后高压，由里向外”顺序进行施工，稳定后注浆压力保证在1.0～1.2MPa范围内，注浆期间溢流管返浆或煤壁渗液时立即停止注浆。

3.2 超前撞楔支护

为了防止巷道掘进后在施工永久支护时空顶顶板出现破碎、冒落现象，保证巷道支护安全，决定在巷道掘进时采用撞楔超前支护。

（1）巷道注浆支护施工完成3h后，在巷道原顶板设计位置采用ZQC-50/2.5S型气动手持式钻机施工一排撞楔超前支护钻孔。支护钻孔与巷道走向一致，与工作面煤壁垂直布置，垂直角允许误差为±2°。

（2）2112巷顶板每排施工9个支护钻孔，钻孔直径为30mm，深度为3.5m，间距为0.5m，钻孔施工完后及时采用风管清理钻孔内煤屑。

（3）支护钻孔施工完后，依次向钻孔内注入锚固剂及超前支护体，超前支护体主要采用的是长度为4.0m、直径为25mm圆钢。支护体锚固后外露长度不得超过0.5m，且在外露端安装一根固定钢带，将超前支护体与顶板固定。

（4）第一排超前支护钻孔施工完后，巷道在掘进时应降低掘进机截割头高度（0.5m左右），单茬掘进深度为1.0m，掘进后在超前支护掩护下及时施工永久锚杆、锚索支护。

（5）当巷道掘进3.0m后对巷道顶板施工第二排超前撞楔支护，相邻两排超前支护交错嵌入式布置，嵌入深度为0.5m，在嵌头处采用钢带进行固定。依次类推直至施工巷道完全过顶板破碎区域。

3.3 工字钢棚支护

为了进一步提高顶板稳定性，防止顶板离层现象，决定在巷道破碎区域架设工字钢棚。

（1）工作面注浆支护、撞楔支护及顶板永久支护施工完成后，在滞后工作面5.0m处开始架设11#工字钢棚，该钢棚主要由棚腿、卡兰、顶梁、底座、连接杆、顶护板等部分组成。

（2）由于2112巷底板主要以炭质泥岩为主，底板松软，架棚前应采用风镐对巷帮底板进行起底施工。起底规格宽×深=0.3×0.3m，起底长度以架设钢棚数量为准。起底后将底座埋入起底坑内并采用地锚进行固定，然后采用C30混凝土进行浇筑。

图1 2112巷顶板破碎区域联合支护断面示意图

（3）棚腿底座安装后，将棚腿与底座之间采用螺栓连接，每条棚腿使用四条长度为120mm、直径为20mm螺母。棚腿与顶梁之间采用卡兰进行固定，并保证卡兰预紧力不得低于200N·m。

（4）钢棚架设间距为1.0m。所有钢棚架设完成后，相邻两架钢棚棚腿之间采用两组连接杆进行联锁保护。相邻两架棚顶梁之间安装10块长度为1.2m、宽度为0.4m水泥顶护板，保证顶护板与顶板接触严实。

4 结 语

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿综掘二队分析了2112巷在顶板破碎区域原顶板支护主要存在的问题，根据实际情况提出了“超前注浆+超前撞楔支护+工字钢棚”等联合支护措施，通过实际应用取得了显著成效。

（1）采用注浆支护后，注浆液渗透至顶板岩体裂隙带并凝固进行粘接，阻止了顶板破碎区域向深部进一步延伸。通过对注浆岩体进行单轴抗压试验发现，注浆后岩体强度提高至67.4MPa，提高了破碎岩体整体稳定性，加强了顶板承载梁作用，保证了支护体支护效果。

（2）采用撞楔超前支护后，巷道掘进时顶板控顶长度由原来的0.6m增加至1.7m，缩短了巷道掘进支护时间，巷道掘进后顶板破碎、冒落现象得到有效控制，保证了巷道施工安全，巷道掘进速度由原来的3.4m/d提高至8.9m/d。

（3）采用钢棚支护与永久支护联合对顶板进行维护，实现了顶板主动与被动支护联合支护作用，弥补了传统锚杆、锚索支护的不足，降低了集中应力对顶板垂直破坏作用，防止了顶板下沉。通过后期应用观察发现，架棚后顶板最大下沉量为0.21m（前5d），且随着时间推移下沉量趋于零。