“注浆+柔性梯形梁”支护在巷道破碎顶板中应用

晋焱梁

（山西晋煤集团长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

由于巷道过断层期间顶板岩体强度低、孔隙度大、胶结程度差，顶板岩体严重破碎，局部岩层出现离层等现象，甚至出现局部漏顶现象。采用普通锚杆支护时，锚杆锚固端未能完全深入坚硬稳定岩层内，无法起到悬吊作用。顶板的凸凹不平，锚网支护不能完全与顶板接触，无法形成耦合的支护体，锚杆支护失效严重。所以，对于断层破碎带顶板，必须根据实际情况采取合理有效的支护措施，才能保证巷道安全快速掘进。本文以长平煤矿五盘区第二回风巷掘进为例，对巷道过断层破碎带提出了“注浆+柔性梯形梁”联合支护措施。

1 概况

山西晋煤集团长平煤业有限责任公司五盘区第二回风巷沿煤层顶板掘进，东部为芦家峪村和西沟村村庄保护煤柱，西部为矿界保护煤柱，北部为五盘区实体煤，南部为五盘区辅运巷（正在施工）。

五盘区第二回风巷设计长度为2573 m，施工巷道断面规格为宽×高=5.2×5.7 m，掘进煤层为3#煤层，平均厚度为5.48 m。3#煤层无伪顶，直接顶主要以砂质泥岩、细粒砂岩混合岩层为主，平均厚度为2.7 m；基本顶主要以粗砂岩为主，平均厚度为11.5 m。

第二回风巷采用综合机械化掘进施工工艺。地质资料显示，在450～570 m 处共计揭露6 条逆断层，平均落差为0.8 m，平均倾角为42°。受断层群影响，巷道掘进至440 m 处顶板出现局部破碎现象，当巷道掘进至446 m 处时巷道中部出现局部冒落现象，冒落高度为0.7 m，原顶板支护设计无法满足巷道过断层群支护需求。

2 原顶板支护设计主要存在的问题

2.1 支护强度低

第二回风巷沿3#煤层顶板掘进，巷道直接顶厚度为2.7 m，直接顶岩体单轴抗压强度为25 MPa，抗压强度相对较低。巷道在过断层群时受集中应力影响，直接顶与基本顶之间出现离层现象，且在离层处出现应力破碎现象。而原支护设计中顶板采用的是BHRB500 型锚杆，锚杆长度为2.5 m，锚杆采用端头锚固方式，锚固长度为0.8 m，锚杆锚固端位于直接顶与基本顶之间。当直接顶出现离层下沉时，锚杆锚固端附近岩体出现破碎现象，锚杆支护失效现象严重，降低了锚杆支护强度。

2.2 支护耦合作用差

巷道顶板采取锚杆、锚索支护的目的主要是通过锚杆悬吊作用对不稳定岩体进行悬吊维护，然后再通过锚杆组合梁作用使不稳定岩体形成连续稳定承载机构，从而使锚杆与围岩间形成耦合作用。但是由于破碎顶板力学性质发生改变，顶板自身整体连续稳定性降低，锚杆支护后悬吊支护作用降低，锚杆与围岩无法形成耦合支护作用。

2.3 让压效果差

原顶板支护设计中顶板采用的是BHRB500 型锚杆，锚杆抗拉强度为180 MPa，锚杆延伸率不足2%，锚杆刚性强，在顶板集中垂直应力作用下，锚杆让压效果差，导致锚杆在应力剪切作用下，出现变形、折断现象。

2.4 扰动破坏严重

原支护设计中，顶板每排布置6 根锚杆，排距为1.0 m，每排布置3 根锚索，锚索排距为3.0 m。虽然支护数量满足支护要求，但是对破碎顶板，支护数量越多，在进行钻孔施工时钻孔扰动对围岩破坏越严重，进一步加剧了岩体破碎程度。

3 应力破碎顶板联合支护设计

3.1 注浆支护

（1）目前煤矿注浆材料主要分为非化学注浆材料及化学注浆材料。非化学注浆材料具有成本费用低、材料广泛等优点，但是在围岩高裂隙带中渗透能力差，粘接时间长；化学材料如脲醛树脂、聚氨酯、丙烯酰胺等具有渗透能力强、粘接效果好等优点，但是成本费用高。五盘区第二回风巷过断层群带时，顶板破碎相对较严重，为了提高围岩稳定性，加快巷道掘进速度，决定采用聚氨酯化学注浆材料。

（2）巷道掘进时顶板破碎区采用超前预注方法。第二回风巷掘进至446 m 处时，在工作面煤壁处施工超前注浆钻孔。钻孔距顶板高度为1.0 m，钻孔仰角为60°，钻孔深度为5 m，钻孔终孔位置必须位于基本顶内，每排施工3 个钻孔，钻孔间距为1.8 m。

（3）注浆施工时按“由中部向两帮、由高压向低压”的注浆原则，注浆压力为1.5 MPa。在进行注浆前应对注浆钻孔进行封孔处理，封孔段位于钻孔孔口往里1.2 m 范围内，保证注浆液完全渗透在顶板岩体内。注浆完成2 h 后巷道方可继续掘进。

3.2 永久支护设计优化

（1）将原顶板BHRB500 型左旋无纵筋螺纹锚杆进行加长，优化后锚杆长度为3.5 m，在锚杆外露端安装一根长度为0.3 m 高强度让压弹簧。

（2）为了降低钻孔施工扰动对破碎顶板影响，顶板锚杆每排由原来6 根减为5 根，锚杆间距1.3 m，锚杆排距由1.0 m增加至1.2 m，取消原顶板锚索支护。

3.3 柔性梯形梁支护

为了提高顶板支护效果，保证顶板变形时支护体与顶板能够实现耦合支护作用，决定对断层群处顶板施工柔性梯形梁支护。

（1）每架柔性梯形梁支护主要由圆钢、夹板、JW 型钢带、高预应力锚索、圆钢托架等部分组成。柔性梯形梁长度为4.8 m，宽度为0.5 m。如图1 所示。

（2）圆钢长度为4.8 m，直径为16 mm，共计由6 根组成，且采用4 根夹板进行固定，夹板固定间距为1.5 m。梯形梁采用3 根长度为7.0 m、直径为21.6 mm 高预应力锚索及3 根长度为0.5 m“JW”型钢带进行固定，锚索布置间距为1.5 m。

（3）柔性梯形梁支护施工在相邻两排锚杆之间，排距为1.2 m。在相邻两架梯形梁支护之间采用2 根长度为1.4 m、直径为20 mm 圆钢托架连接，间距为3.0 m。

图1 第二回风巷破碎顶板柔性梯形梁支护平面布置示意图

4 结语

（1）注浆支护使断层群破碎、裂隙顶板岩体间充分粘接及填充，破碎顶板重新形成承载梁，岩体单轴抗压强度提高至57 MPa，提高了围岩整体稳定性，削弱了顶板垂直集中应力破坏作用。

（2）对原顶板支护进行优化后，不仅加强了锚杆支护效果，降低了锚杆锚固失效率，而且锚杆安装了让压件，在顶板变形、下沉时锚杆能够适应顶板塑性变形，避免传统锚杆钢性大、延展性低，导致顶板变形时锚杆出现剪切破坏现象，提高了锚杆耦合支护作用。

（3）柔性梯形梁支护与传统钢带相比，支护面积大，支护强度高，柔韧性强。当破碎顶板出现变形时，该支护可对顶板进行柔性支护，不仅解决了传统钢带撕裂、折断现象，而且有效控制了顶板下沉、破碎现象。

截至2019 年3 月17 日第二回风巷已完全过断层群带。通过现场观察发现，对破碎顶板采取联合支护措施后，顶板未发生冒落现象，顶板最大下沉量为0.15 m，与支护前相比下沉量减小了0.19 m，保证了巷道安全快速掘进。