复合顶板巷道过构造破碎带围岩加固技术

郝志刚

(山西焦煤汾西矿业 正文煤业，山西 孝义 032300)

随着矿井采掘深度增加，煤层赋存地质条件更趋复杂，给煤炭采掘工作开展造成一定影响[1]。当煤层顶板为复合顶板时，由于顶板岩性差异大，在水平应力、垂向应力等综合影响下，复合顶板各层间容易出现滑动、剪切变形，导致层间出现离层情况，增大顶板变形量及顶板岩体变形控制难度[2-3]。同时随着先进重型采掘设备在井下的推广应用，采面推进速度以及供风量呈增加趋势，回采巷道断面也不断增大，在掘进扰动、地应力等影响下进一步增大了复合顶板支护难度[4]。特别是复合顶板巷道掘进过地质构造破碎带时，顶板岩体较为破碎，加之复合顶板巷道容易出现顶板离层、变形量大以及支护困难等问题，严重时甚至出现漏顶、冒顶等安全事故。众多的学者对复合顶板巷道过破碎带支护技术展开研究，并提出采用全锚索、顶板注浆、架棚、砌碹等方式控制顶板变形，现场应用也取得一定成果[5-8]。文中在借鉴前人研究成果的基础上，针对山西某矿3506运输巷掘进期间遇到的问题，提出采用注浆+长锚索方式支护围岩，确保了复合顶板巷道过构造破碎带时顶板的稳定性，为巷道安全掘进创造良好条件。

1 工程概况

1.1 地质概况

3506运输巷为矩形断面，宽×高=5 100 mm×4 500 mm，设计掘进长度1 690 m，采用综掘机沿回采的5号煤层底板掘进。5号煤层为矿井主采煤层之一，具有赋存稳定等优点。5号煤层厚度3.75～5.96 m，均值4.5 m，倾角5～8°.煤层上覆有厚度约0.5 m的炭质泥岩伪顶，裂隙及水平层理发育，呈灰黑色，随采随垮；直接顶为褐色砂质泥岩、灰白色的细砂岩互层，厚度5.2 m，硬度较低，巷道在掘进期间出现局部离层情况；基本顶为稳定的砂岩，厚度10.8 m，坚硬。煤层底板为炭质泥岩、砂质泥岩，厚度2.7～5.1 m，遇水容易膨胀变形。

3506运输巷掘进范围内地质构造复杂，存在多处褶曲、断层等发育区，区内围岩破碎。3506运输巷在掘进过构造破碎带时，面临顶板破碎、支护难度大等问题，采用传统的锚网索支护方式难以满足支护需要。经分析提出采用锚索网+超前注浆方式实现破碎复合顶板控制。

1.2 传统锚网索支护面临问题

复合顶板巷道过构造破碎带期间若仅采用锚杆支护时发挥预期围岩控制效果，在地应力、围岩稳定性、构造应力等多因素叠加影响下，锚杆容易出现失效、破断、锚固不稳定等问题。在地应力、采动影响等作用下，锚杆杆体受到的载荷增大，当载荷超过锚杆最大承受能力时，容易出现锚杆破断情况，进而导致顶板离层量、变形量增大；在构造破碎带内巷道围岩受到较大的构造应力作用，围岩容易出现滑面效应，导致支护用锚杆出现移位、搓动、变形等情况；在构造破碎带内巷道顶板压力通过巷帮传递给底板，呈现出顶底板变形量增大的特点，当底鼓量较大时容易诱发支护体系失效问题，影响巷道使用安全。

2 构造破碎带顶板注浆+长锚索支护

2.1 支护设计

在复合顶板巷道围岩支护时，锚索起到了强化支护的作用。当巷道位于构造破碎带内时，受构造应力及围岩破碎等因素影响，适当增加锚索长度使锚固端位于顶板稳定岩层中，同时通过注浆提高破碎顶板整体稳定性；通过注浆、长锚索可将锚索支护形式由端锚改为长锚形式，有助于实现顶板梁、拱组合，控制顶板下沉。根据3506运输巷过构造破碎带现场情况，设计的支护断面如图1所示。

图1 顶板注浆+长锚索支护示意(mm)

2.2 注浆技术

1) 在对复合破碎顶板采用长锚索、注浆进行支护时，注浆浆液一般选用水泥单液浆(水灰比为1∶1)，水泥浆存在注浆成本低、取材方便等优点。但是3506运输巷顶板岩层为泥岩、砂质泥岩及细砂岩互层，泥岩及砂质泥岩遇水后容易膨胀变形，加之水泥单液浆存在胶结效果差、胶结时间长等问题，无法满足3506运输巷在构造破碎带顶板加固需要。为此，运输巷顶板注浆浆液选用马丽散、催化剂浆液，配比为1∶1，注浆用多功能注浆泵，注浆压力5 MPa以上。

2) 在注浆前应对构造破碎带岩体进行观察，依据围岩裂隙扩展宽度、发育程度合理设计注浆钻孔数量、布置位置、孔深等。布置的注浆钻孔宜呈扇形布置，注浆时应确保各注浆孔浆液扩散区相互叠加，确保浆液可实现破碎岩体整体胶结。在3506运输巷过构造破碎带时顶板布置4个注浆钻孔，孔深均为5 m、间距1.5 m，开孔位于顶板下方1.2 m处，钻孔有60°仰角；通过注浆钻孔可实现掘进迎头破碎岩体以及顶板3.1 m范围内破碎岩体加固。

3) 注浆时，当注浆孔周边出现浆液外溢情况时可停止，注浆完成后及时进行封孔，并待注浆浆液完全固结后方可开展下一步工作。注浆钻孔封堵选用凝固力-FSS无机加固材料。

2.3 长锚索施工技术

1) 3506运输巷在构造破碎带完成注浆加固后，对复合顶板进行锚杆、锚索支护。施工的长锚索在两排锚杆间，锚固端位于顶板稳定岩层中可起到较好的悬吊效果。采用的长锚索规格为D17.8 mm×8 300 mm，每排施工2根，间排距为2 000 mm×2 000 mm.伪顶与基本顶厚度合计5.7 m，采用8.3 m长锚索可确保锚固端在坚硬稳定的基本顶中超过2 m.具体锚索锚固如图2所示。

图2 锚索锚固示意

2) 现场施工的顶板锚索钻孔孔深应比较长锚索短200～250 mm，使锚索有一定的外露长度。锚索锚固选用2支型号K23/80、1支型号CK23/80树脂锚固剂。锚索锚固完成后，在端头位置安装钢托盘、锚具，并采用千斤顶施加预紧力，预紧力控制在300 kN以上。为确保长锚索对巷道顶板有效控制，锚索选用的托盘为2 500 mm长工字钢，在工字钢上按照2 000 mm间距布置2个锚索孔，锚索穿过锚索孔并用锁具固定。

3) 巷道支护时，为避免迎头破碎、顶板垮落，需在掘进迎头布置临时支护设施，再进行锚杆支护。迎头临时支护包括11号工字钢、吊环、丝杆等。11号工字钢制成3根纵梁、3根横梁，有效支护范围在2～3 m.具体迎头临时支护结构如图3所示。

图3 巷道迎头临时支护结构图

3 围岩支护效果

在3506运输巷采用注浆+长锚索方式支护后，布置测点对围岩变形量进行监测，具体监测数据如表1所示。支护完成35 d后围岩变形基本趋于稳定，期间监测到顶底板、巷帮累积变形量分别为69 mm、53 mm，取得较好的围岩支护效果。

表1 围岩变形监测结果

4 结 语

在3506运输巷掘进过构造破碎带期间，采用注浆+长锚索方式支护围岩，注浆材料选用马丽散浆液。通过超前注浆后可实现巷道靠近顶板位置以及顶板上方3.3 m区域加固，避免巷道掘进期间出现冒顶、漏顶等问题。采用长锚索可实现破碎顶板有效支护，锚固端位于巷道顶板上覆稳定的岩层中，可起到较好的悬吊效果。现场应用后，3506运输巷在构造破碎带内围岩变形量较小，期间监测到顶底板、巷帮变形量分别为69 mm、53 mm，围岩控制效果显著。