超前管棚支护在断层区巷道掘进中应用

牛伟旗

（长春兴煤业有限公司，山西 大同 037101）

1 概述

长春兴煤业有限公司105 运输顺位于井田北盘区东翼，工作面东西走向布置，西部为北盘区大巷，东部、北部为北盘区井田边界，南部为103工作面采空区。

105 运输顺槽设计长度为1700m，主要担负着105工作面煤炭运输任务，巷道开口前20mm范围内主要用于稳装带式输送机，断面规格为宽×高=5.5m×4.5m，200~1700m 段断面规格为宽×高=4.5m×3.5m，巷道沿22#煤层底板进行掘进，掘进煤层厚度为9.5m，巷道掘进期间预留顶煤厚度为6.0m；105运输顺槽采用机械化掘进工艺，截止2020年3月17日巷道已掘进450m。

105运输顺槽围岩主要采用锚杆、锚索、金属网、W型钢带进行联合支护，顶板每排布置一根长度为4.5m，宽度为0.25m“W”型钢带以及5 根长度为2.5m，直径为22mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆与钢带配套使用，锚杆布置间排距为1.0m；顶板每排布置3 根长度为5.3m，直径为17.8mm 锚索，锚索间距为2.0m，排距为3.0m；巷帮每排布置3 根长度为2.0m，直径为20mm 螺纹钢锚杆，间排距为1.0m；顶板及帮采用8#铅丝编制的棱形金属网，顶板网长度为5.0m，宽度为1.3m，帮网长度为4.0m，宽度为2.0m。

2 巷道掘进现状及支护技术难题

2.1 巷道掘进现状

105运输顺槽在前440m掘进过程中围岩稳定性相对较好，采用传统锚杆索支护时能够有效控制围岩变形现象，掘进过程中未出现顶板破碎、冒漏以及片帮现象；当巷道掘进至442m处时巷道左帮揭露一条F3正断层，断层落差为1.5m，倾角为52°，断层从左帮向右帮逐渐延伸，当巷道掘进至446m处时在巷道右帮完全揭露断层。

105 运输顺槽揭露F3断层时巷道左帮先出现片帮现象，随着巷道掘进延伸，当断层延伸至巷道迎头时顶板出现破碎现象，巷道掘进机割煤后在施工永久支护前，顶板出现大面积破碎垮落，当巷道掘进至445m处时顶板最大空顶距达2.2m，采用机载超前以及丝杠式超前支护时支护效果差，永久支护无法及时对围岩控制，巷道掘进速度降低至2.2m/d，严重威胁着巷道施工安全。

2.2 原支护主要存在的问题

巷道在掘进过程中受断层应力影响工作面前方5~10m 范围内初选超前破坏现象，通过对工作面前方顶板施工窥视孔观察发现，围岩破碎严重，出现严重断裂现象，当巷道掘进后在支护永久支护前，应力沿围岩裂隙向巷道掘进空间释放卸压，在卸压过程中迎头煤体手剪应力作用出现破碎、垮落现象，从而增加了空顶距，加剧顶板破碎力度。

原顶板采取锚杆索支护时只能对巷道开挖空间顶板进行支护，无法对巷道顶板超前支护，当巷道迎头煤岩体出现断裂、破碎后导致支撑强度降低，巷道顶板出现折断现象，且顶板出现围岩松动圈，而锚杆（索）支护主要利用锚固剂将杆体端头粘接在顶板上，并安装承载件施加预应力，达到支护作用，当顶板出现松动圈后锚杆（索）锚固强度降低，降低了锚杆（索）支护效果。

3 超前管棚支护应用

为了弥补传统锚杆（索）支护不足，实现对断层区围岩超前支护作用，决定对巷道顶板采取超前管棚支护，如图1所示。

图1 105运输顺槽超前管棚支护示意图（单位：mm）

3.1 超前管棚支护原理

通过对巷道迎头顶板施工一排垂直煤壁的超前支护钻孔，对钻孔内安装一排超前支护体，当巷道迎头煤岩体在应力作用出现断裂、破碎时，超前管棚支护体形成梁效益结构，对围岩实现超前支护作用，降低围岩超前破碎现象。

3.2 超前管棚支护结构

105 运输顺槽断层区采取的超前管棚支护主要由支护体、夹板等部分组成，支护体采用高锰钢磨具浇筑形成的无缝中空钢管，长度为3.0m，直径为32mm，超前管棚支护体前段为实芯削尖结构，长度为0.5m；在支护体四周均匀布置三排直径为12mm卸压小孔。

3.3 超前管棚支护工序

（1）105运输顺槽掘进至450m处时采用EBZ260型掘进机将迎头煤矸清理干净，并将顶板及两帮支护到位，空顶距不得大于0.3m。

（2）采用手持式钻机在巷道迎头设计位置施工一排超前支护钻孔，每排布置10个，孔间距为0.5m，钻孔深度为3.0m，直径为35mm，钻孔允许水平和垂直方向最大偏角为3°。

（3）支护钻孔施工完后，采用风管对钻孔内煤屑进行清理，若出现塌孔现象必须重新补打钻孔，然后对钻孔内插入超前支护体。

（4）超前管棚支护施工完后巷道在掘进时第一刀掘进深度为0.5m，掘进后及时在超前支护体下方施工一排W锚杆钢带。

（5）105 运输顺槽掘进过程中若顶板破碎严重时，管棚支护安装后对支护体内埋入一根直径为20mm 注浆软管，然后进行注浆施工，注浆过程中使超前支护体与围岩镶嵌为一体，提高超前支护强度。

3.4 实际应用效果分析

截止2020 年3 月27 日105 运输顺槽已掘进至507m处，巷道已完全过断层影响区，F3断层对巷道掘进影响长度为62m，巷道在后期过断层期间对顶板每隔20m 安装一台YH-300 型顶板离层仪进行顶板变形监测，通过现场观察发现：

通过对巷道顶板施工超前管棚支护后，控制在迎头煤岩体超前破坏现象，减少了裂隙带发育，阻止了裂隙带向巷道开挖空间内顶板延伸，提高了永久支护质量，通过现场监测发现，采取管棚支护后顶板下沉量控制在0.14m以下，锚杆（索）支护失效率由原来的11%降低为3%，巷道掘进速度提高至5.2m/d。

4 结束语

长春兴煤矿针对105 运输顺槽在过断层期间围岩破碎严重、巷道掘进效率低以及支护难度大等现象，采取超前管棚支护技术后，有效控制了围岩破碎、顶板下沉、冒漏现象，超前管棚支护实现了超前应力梁支护作用，削弱了顶板垂直应力对围岩产生超前剪切破坏作用，取得了显著应用成效。