破碎顶板条件下长管棚综合支护加固技术应用

秦庆举 张乾龙 李连刚

（陕西金源招贤矿业有限公司，陕西 宝鸡 721000）

煤矿井下巷道处于顶板淋水、岩性不好等极端不利条件时，常规的管缝锚杆、普通撞楔等超前支护可能起不到应有护顶作用，锚杆（索）则因为顶板难以成孔、锚固达不到设计值失去作用。一旦U型棚无法有效实施，将对安全形成极大威胁。管棚支护技术在处理井巷冒顶及过破碎顶板条件施工过程中效果较好[1]，尤其在隧道塌方治理中得到成功应用。因此，结合煤巷井下现场实际，研究出一套综合治理方案，对极破碎顶板条件下的巷道施工至关重要。

1 工程及地质概况

招贤煤矿1305工作面为矿井一采区第三个工作面，位于一采区东翼。该面东至一、三采区大巷保护煤柱线，西至三条开拓大巷（北翼带式输送机大巷、北翼辅助运输大巷、北翼回风大巷），北至设计的1303工作面风巷，南至1307工作面采空区。工作面内3煤层平均厚度12.5m。1305工作面机巷施工至1200m时揭露DF14断层及多个次生小断层，如图1所示。经探查DF14断层落差19.4m，呈WE走向，倾角70～75°，倾向48°。断层上盘为粉砂岩，断层面有断层泥，宽度为0.1～0.5m，断层面淋水，最大涌水量5m³/h。该断层向1305工作面内延展约180m，向邻近的1303工作面方向延展约160m。

1305 机巷掘进期间受地质构造影响，在距离DF14断层面15m左右时，开始出现顶板破碎、片帮、锚索孔淋水、锚索预紧力达不到设计值、矿压显现明显等现象。针对异常情况，决定自巷道1190m处开始采取以下措施：对巷道顶板及帮部采取锚索加固；对成孔困难、锚索预紧力达不到设计值的区域注浆；架设U29型棚（顶板冒落前已施工6棚）配合超前撞楔施工。然而临近断层面，巷道淋水量增大至约5m3/h，巷道左帮肩窝上方顺断层面流下泥水混合物（水、泥岩、细粒状煤），很快在左帮肩窝上方冒落成5m高的圆柱体空洞，冒落体积约95m³。超前撞楔压弯变形，迎头第7棚U29型棚被压垮，顶板下沉超过2m，人员无法进入。

图1 1305机巷揭露DF14断层示意图

2 长管棚综合支护加固技术

基于对断层产状的分析以及顶板破碎原因的判断，借鉴隧道塌方[2-3]、井巷冒顶治理经验，提出了用长管棚超前支护联合U29型钢支架法支护，并采取导水孔引流、巷道围岩预注浆等措施，制定了“精导水、严注浆、管超前、短开挖、强支护、早封闭、勤观测[4]”方案，安全通过该地质构造带。

2.1 导水孔引流

断层面空洞形成的主要原因是破碎的顶板随着水形成泥水混合物倾泻而下，封堵很困难，因此第一步是将水进行引流，同时查明前方水文地质情况。

自挡墙退后3m在巷道左帮施工泄水钻孔一个，钻场尺寸：宽×高×深=3.5×3.5×5.5m。钻场内共设计12个钻孔进行超前探查，并兼做放水孔，如图2所示。超前探查孔设计参数见表1。

图2 1305机巷导水孔设计图

表1 1305机巷超前探查钻孔设计参数表

钻场内泄水孔自施工后持续出水，通过对钻场内泄水孔以及巷道迎头预埋管出水量的观测，水量从5m3/h降至1m3/h，并趋于稳定。

2.2 巷道围岩注浆

采用“两段上行式”注浆法对巷道围岩进行加固，使之形成一层坚硬的假顶，对围岩裂隙进行封堵，控制巷道顶板淋水。注浆采用“充填注浆”和“挤密注浆”。“充填注浆”，即对巷道前方以及上方冒落空间大空洞、大孔隙进行回填，改善围岩稳定性；“挤密注浆”，向上对冒落空间周边围岩注入较高压力的浆液，加固围岩。

2.2.1 充填注浆

自巷道迎头退后5m施工2道挡墙，挡墙间距0.5m，挡墙采用轨道配合杠杆扎设骨架，里外口铺设钢筋网，在两道挡墙中间垛袋充填，并预留3根Ф108mm的排水管。注浆前对挡墙后5m范围内的巷道进行全段面喷浆，喷浆厚度150mm。采用CMS4000钻机向迎头及顶板空洞方向施工注浆钻孔，下注浆管，参数见表2。注浆材料为XKT161型膨胀水泥（膨胀系数5～8倍，反应速度快，混合的浆液通常在2h左右就可失去流动性），累计注入量10t。待水泥凝固后，将巷道部分启封验证注浆效果。经探查，巷道前方已填充满雪花状的膨胀体。

2.2.2 挤密注浆

向冒落空间以及巷道轮廓线按照1m间距均匀布置注浆孔，注浆材料为水泥-水玻璃双液浆，水泥浆与水玻璃体积比1:0.5，水泥浆水灰比1:1。注浆结束后，通过锚杆钻机施工Φ32mm钻孔验证围岩上方存在约2m厚的硬顶，且淋水量降至1m3/h，并趋于稳定。

表2 1305机巷注浆参数表

2.3 长管棚联合U29型钢支架支护技术

注浆使围岩形成2m厚的再生顶板，但无法承重，且锚杆（索）无法生根，为防止顶板再次冒落，采用长管棚作为超前临时支护。长管棚以废旧钻杆作为支护材料，沿巷道顶板轮廓线均匀布置，是防止掘进破碎段冒顶的一种巷道超前支护方式[5]。

2.3.1 长管棚钻孔参数

钻孔直径：开孔直径（钻头）为Ф133mm。

钻杆参数：采用Ф73mm钻杆，管壁厚度9.19mm，钻杆长度1m。

钻孔深度：钻孔的深度为20m。

钻孔起点、落点及倾角如图3所示。

2.3.2 管棚支护的施工过程

（1）采用CMS4000钻机沿巷道顶板及肩窝轮廓线向迎头施工超前钻杆，打设长度18m（每节2m），+3°角度施工，钻杆间距300mm，钻孔压茬不超过5m。

（2）钻杆施工完成，在巷道顶板形成一个完整的具有一定强度的管棚支护整体后，在巷道迎头用工字钢配合单体进行临时支护。棚间距不超过500mm，工字钢规格为L=4.5m，单体型号为DW4.2型。

（3）临时支护架设3棚后，待巷道稳定，从后至迎头方向开始架设U29型棚，并及时采用锚索配合工字钢加固。

（4）U29型棚架设完毕后，挂钢筋网、喷浆，混凝土强度不低于C20。喷射混凝土以后，对巷道进行注浆（水泥浆）加固。

2.3.3 U29型棚联合锚索支护参数

U29规 格： 净 宽（ 腰 扎）×净 高=5500mm×4000mm，棚间距600mm（中-中），采用水泥背板背顶，每棚4根拉杆，拱部拉杆距限位块100mm，交错成一直线，棚梁、腿搭接长度为500mm，卡缆间距400mm，采用专用U型卡子固定，U型卡子为Ф=22mm的圆钢，螺帽扭矩为200 Nm，棚子架设后及时采用锚索配合工字钢加固。如图4所示。

图3 长管棚布置示意图

为监测应用效果，每隔20m布置一个巷道表面位移监测站，每7d观测一次。跟踪监测60d，巷道顶底板累计变形210mm（主要变形特征为底鼓），帮部累计变形100mm。围岩累计变形量小，说明U29型棚与锚索联合支护下，巷道围岩的变形得到有效控制。

2.4 防灭火注浆

因DF14断层面前后围岩破碎且深部仍然存在空洞、大孔隙，为防止巷道顶煤自燃，保证安全生产，决定向架棚段顶板压注凝胶进行降温堵漏。利用气动泵（2ZBQ-20/4）将形成化学凝胶的两种无机物（水玻璃+碳酸氢钠）水溶液经各自的管路输送到管路末端附近的混合器，混合后进入泵体，通过气动泵的压力将混合液压送进入破碎煤体中。动力风源不低于0.7MPa，注浆泵经气源三联件减压阀后的调节压力上限为0.63MPa。凝胶注入完毕后，建立测温观测台账，每天专人观测1次，定期分析数据，确保无高温异常点。

图4 U29型棚联合锚索支护图

3 结论

1305 工作面机巷掘进穿过顶板破碎段时，分析顶板淋水原因以及出水点位置，施工导流泄水孔，将水量由5m3/h降至1m3/h；对围岩采用“两段上行式”注浆法，在围岩浅部形成了2m厚的人工再生假顶，增加了围岩的稳定性；采用长管棚作为超前护顶联合U29型棚支护，且采用短掘短支工艺。安全高效地通过了断层破碎带，保障了安全生产。