超前注浆管棚支护在应力区破碎顶板中应用

史战宇

（晋能控股煤业集团白洞矿业公司，山西 大同 037031）

1 概述

晋能控股煤业集团白洞矿业公司2114 巷位于301 盘区南部左翼的最北部，工作面东部为井田边界，西部为盘区的皮带、材料、回风巷，南部为实煤区，北部为301 盘区东部的皮带、轨道及回风巷。2114 巷设计掘进长度为1316 m，巷道为矩形断面，断面规格为宽×高=4.2 m×3.5 m，巷道掘进煤层为石炭系5#煤层。根据工作面附近462811、472811钻孔、工作面探煤厚孔的资料看，工作面煤层总厚为8.0～10.49 m，煤层普遍有3～8 层夹石，夹石厚一般为0.10～0.30 m，夹石断续、不稳定。煤层顶底板岩性见表1。

表1 煤层顶底板岩性

2114 巷掘进至420 m 处揭露F2 正断层，断层走向15°～20°，倾向ES，倾角65°，落差为1.7 m，断层对巷道影响长度为37 m。巷道掘进至405 m 时出现F2 断层应力显现现象，巷道围岩相对破碎，当巷道掘进至407～418 m 段时顶板出现局部冒落、离层现象，两帮收敛严重，收敛量达0.62 m，顶板下沉量达0.44 m。

2 应力区围岩联合支护技术

2.1 超前管棚支护

为防止巷道过应力区机械掘进过程受构造应力、机械扰动等影响，巷道前方煤岩体超前破碎现象，对巷道顶板施工超前管棚支护进行控制维护[1-5]。

2.1.1 超前管棚支护参数

（1）为便于巷道内超前管棚施工以及提高支护效果，管棚支护体长度一般小于10 m，管棚支护长度应根据围岩内摩擦角以及垮落高度进行确定。根据2114 巷掘进期间最大垮落高度为3.2 m，岩体最大内摩擦角为32°，通过合理计算，确定2114巷超前管棚长度为3.5 m。

（2）超前管棚支护体采用中空无缝钢管焊制而成，钢管直径为30 mm，钢管壁厚为12 mm，每根钢管长度为3.0 m。其中第一根钢管端头成锥状便于导向插入，且孔壁均匀布置三排注浆花孔，孔直径为50 mm，间距为0.2 m，每排布置5 个，相邻两根钢管之间采用丝扣连接，丝扣长度为0.2 m。

2.1.2 超前管棚支护施工

（1）为了提高管棚支护刚性，管棚支护孔应与巷道轮廓预留合适的间距，一般钻孔中心与轮廓间距控制在0.2～0.3 m 范围内。超前支护钻孔采用手持式钻机配套直径为32 mm 合金钻头进行施工。

（2）超前管棚支护钻孔施工时，为了防止钻头下垂，钻孔应向轮廓方向保持一定仰角，仰角根据管棚支护长度而定。2114 巷超前管棚支护钻孔设计仰角为5°。

（3）2114 巷顶板共计布置14 根超前管棚支护，支护间距为0.3 m；两帮各施工5 根管棚支护，支护间距为0.6 m。巷道每掘进4.0 m 时及时施工第二排超前管棚支护，相邻两排管棚支护交错距为0.8 m，如图1。

图1 2114 巷断层应力区围岩联合支护示意图（mm）

2.1.3 注浆加固

（1）超前管棚支护施工完后，对顶板及两帮进行超前注浆加固。首先对顶板超前管棚内填入注浆软管，软管直径为22 mm，软管插入管棚支护体内长度为2.0 m。注浆软管安装后在管棚支护孔口处采用止浆塞进行封堵。

（2）顶板每排布置三个注浆孔，即顶板肩角及中部各一个，两帮各布置一个注浆孔。注浆时先顶板后两帮的注浆顺序，注浆液采用马丽散有机化学材料，注浆压力为1.5 MPa，注浆期间发现煤体有浆液渗出时立即停止注浆。

2.2 U29 型钢棚支护

（1）为了进一步提高应力区顶板稳定性，保证超前管棚支护强度，在应力区架设U29 型钢棚。钢棚主要由U29 型钢制成，与传统矩形钢棚相比，U29 型钢具有承载强度高、不易变形等优点。

（2）每根棚腿由两节长度为2.0 m 的U29 型钢组成，两节棚腿之间采用插接式连接，并采用双组抱箍固定。顶梁长度为4.5 m。顶梁与棚腿之间采用卡缆进行固定。

（3）U29 型钢棚架设顺序为：棚腿→顶梁→连接杆。钢棚架设间距为1.0 m，钢棚架设完后保证钢棚顶梁与超前管棚支护体接触严实。

3 应用效果

至2 月13 日2114 巷已掘进至450 m，完全通过了断层应力区。掘进期间分别在410 m、430 m处顶板布置两个观测点，编号为1#、2#，观测点处各安装一台GUD500 型数显离层仪，同时在两帮安装位移监测仪，分别进行15 d 现场观察。应力区顶板联合支护前后围岩变形曲线如图2 所示。

图2 应力区顶板联合支护前后围岩变形曲线图

（1）1#观测点围岩采用传统锚杆支护技术时，受应力影响顶板蠕动变形现象严重。在0～8 d 范围内顶板总下沉量为0.31 m；在8～13 d 范围内随着巷道延伸，顶板应力释放逐渐降低，顶板总下沉量为0.13 m；在13 d 后顶板逐渐趋于稳定。采用传统支护时支护失效现象严重，失效率达11%，且伴随着顶板破碎、离层现象。

（2）2#观测点围岩采取联合控制技术后，顶板下沉、破碎现象得到了明显改善。通过监测发现，在0～6 d 范围内顶板同样出现蠕动变形现象，总变形量为0.12 m；在6～12 d 范围管棚、钢棚支护与围岩实现了耦合支护作用，顶板总下沉量为0.07 m；在12 d 后顶板趋于稳定。

（3）通过对两帮安装的位移监测仪发现，应力区巷道未采取联合控制技术前，由于顶板应力大、顶板承载能力低，应力沿两帮传递现象严重，导致两帮出现收缩破坏现象。采取联合控制技术后，大大提高了顶板稳定性以及承载能力，削弱了应力对两帮剥离破坏作用，两帮收缩量减小为0.21 m。

4 结语

对2114 巷断层应力区顶板采取超前管棚注浆支护，实现了巷道掘进超前支护的目的，降低了应力对围岩超前破坏作用，提高了岩体抗应力能力。通过U29 型钢棚被动支护，进一步加强了顶板稳定性，控制了顶板下沉、破碎现象，有效保障了巷道安全快速掘进。